CN111817586A - 一种矿井直流架线用整流电源装置及其架线短路检测方法 - Google Patents

一种矿井直流架线用整流电源装置及其架线短路检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种矿井直流架线用整流电源装置及其架线短路检测方法，其中矿用整流电源***直流架线短路检测方法包括通过整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别，综合对架线短路情况进行判断，具体包括以下步骤：检测整流电源架线电流故障识别算法是否达到架线电流故障预定条件；以及检测整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值；若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。本发明能有效区分矿井下架线整流电源供电***的直流远距离架线短路电流和多机车近距离启动电流，实现架线短路故障的可靠检测及保护。

Description

一种矿井直流架线用整流电源装置及其架线短路检测方法
技术领域
本发明涉及矿井等直流架线供电及其检测方面的技术，特别地涉及一种矿井直流架线用整流电源装置及其架线短路检测方法。
背景技术
直流架线电机车是我国煤矿及金属矿山广泛使用的一种运输工具，其供电***主要由牵引整流变压器、整流设备、牵引线路网络和电机车组成。由于煤矿井下生产环境恶劣、湿度大，输供电设备极易受潮受损，而且直流架线上机车运输繁忙容易导致架空线短路，因而造成生产安全事故。
长期以来，煤矿上使用的直流架线供电***主要使用交流馈电开关自带的大电流脱扣保护功能进行短路保护。这种大电流脱扣保护功能需要预先设定一脱扣整定值，只有当架线电流稳态值大于该脱扣整定值时，才能识别出存在短路电流，进而才能采取断电保护等措施。
但是，这种保护主要是针对近距离的短路保护，其对于远距离的短路保护的效果不够理想。现有技术中为了尽可能准确地检测识别短路电流，为了尽可能避免将某些情况下的电流(例如启动电流)误认为是短路电流，通常会将脱扣整定值设定得较大。然而，如果将脱扣整定值设得过高，当发生远距离架线短路电流时，由于架线阻抗的存在，其远距离架线短路电流的稳态值并不大，从而存在着导致由于远距离架线短路电流小于所设定的脱扣整定值而无法进行保护的情况。而如果将脱扣整定值设得太低，则又无法区分多机车近距离启动电流和远距离架线短路电流，而且还存在着将某些正常的电流误认为短路电流的情形。
尽管如此，目前煤矿井下架线供电***为了实现远距离架线短路保护，往往将短路电流保护值(即搜书脱扣整定值)设定地较低，由此造成了频繁跳闸等问题，严重影响正常生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的矿井直流架线用整流电源的直流架线短路电流识别技术，能有效区分煤矿井下架线整流电源供电***的直流远距离架线短路电流和多机车近距离启动电流，从而实现架线短路故障的可靠检测及保护。
为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：
提供一种矿井直流架线用整流电源装置，包括：
真空交流接触器，用于控制接入三相交流电源；
三相全桥整流电路，用于将三相交流电整流成脉动的直流电，为架线负载提供直流工作电源，其串联在三相真空交流接触器之后；
直流电流传感器，用于检测输出工作电流，其串接于所述架线输出回路中；
交流电压传感器，用于感知整流电源的输入交流线电压，其并接于输入交流电源的AB相间；
微处理器，用于控制所述三相全桥整流电路的通断，同时实时采集所述直流电流传感器、直流电压传感器的输出，实时计算出整流电源输出直流的电流上升率、电流增量以及整流电源输出直流电压，通过整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况进行判断；
上位机，其与所述微处理器电路通讯。
接上述技术方案，所述三相全桥整流电路是三相全桥可控硅整流电路。
接上述技术方案，所述直流电流传感器是架线直流电流霍尔传感器。
接上述技术方案，上位机是能够直接发出操控命令的便携移动设备，所述上位机具有输入用的键盘、键盘处理及显示处理电路以及显示器。
接上述技术方案，上位机与微处理器通过RS232接口进行通讯。
本发明还提供了一种矿用直流架线短路检测方法，其基于上述实施例的矿井直流架线用整流电源装置，该检测方法包括通过整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况进行判断，具体包括以下步骤：
检测整流电源架线电流故障识别算法是否达到架线电流故障预定条件；以及
检测整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值，
若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
接上述技术方案，基于架线电流上升率、架线电流稳态增量综合对架线短路情况进行判断包括：
检测架线电流上升率是否达到预设的电流上升率整定值；以及
检测架线电流稳态增量是否达到预设的整定阈值，
若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
接上述技术方案，所述架线短路检测方法中，还进一步基于架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间对架线短路情况进行判断，具体包括：
检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间是否在预设的返回延时整定值以内；
若检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
接上述技术方案，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若架线电流稳态增量的延时时间达到预设的延时整定值，则判断为符合架线电流故障的情形。
接上述技术方案，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若整流电源的架线电压在正常范围内，则判断为符合架线远距离短路的情形。
接上述技术方案，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若整流电源的架线输出电压低于正常范围，则判断为符合架线近距离机车起动的大电流的情形，从而不进行短路保护操作。
接上述技术方案，当检测整流电源架线电流故障识别算法达到架线电流故障预定条件，由于整流电源的输入三相交流电源是整流变压器供电，而整流变压器有内阻，当架线发生短路情况时，输入交流电源线电压会跌落较大幅度，因此，检测疑似架线电流故障时的整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值，如果是，则判断为符合架线短路的情形，从而进行保护动作。如果不是，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
本发明产生的有益效果是：本发明的矿井直流架线用整流电源及其架线短路电流检测方法通过实时计算出整流电源输出直流的电流上升率、电流增量以及整流电源输出直流电压，并针对架线电流上升率、电流增量以及架线电压综合判断相结合的方法，能有效区分煤矿井下架线整流电源供电***的直流远距离架线短路电流和多机车近距离启动电流，从而实现架线短路故障的可靠检测及保护，为煤矿井下直流架线供电***提供了安全保障。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是具有短路保护的矿井下直流架线用整流电源装置的总体框图；
图2是几种典型的架线直流电流及故障判定的情况图；
图3(a)是整流电源主程序流程图；
图3(b)是架线电流实时故障识别子程序逻辑流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先对具有短路保护的矿井下直流架线用整流电源装置总体硬件结构进行描述。
请参阅图1，图1为本发明实施例具有短路保护的矿井下直流架线用整流电源装置总体框图。整流电源装置包括：三相真空交流接触器1、三相全桥整流电路2、架线直流霍尔电流传感器3、交流输入线电压传感器4、微处理器5、上位机6。
其中，三相全桥整流电路2可以是三相全桥可控硅整流电路。
微处理器5是微处理器(DSP)最小***，其包括整流电源直流电流以及电压采集电路、采集接触器输入状态及控制寄存器启动停止等信号、故障保存、将信息传输到上位机等功能。
上位机6可以是直接发出操控命令的计算机、手机等便携移动设备。所述上位机6具有输入用的键盘、键盘处理及显示处理电路以及如LCD的显示器。
在本发明的整流电源装置中，所述三相真空交流接触器1用于控制是否接入三相交流电源；三相全桥整流电路2用于提供将三相交流电整流成脉动的直流电，它串联在三相真空交流接触器1之后；架线直流电流霍尔传感器3用于检测整流电源直流输出、也就是架线的实时电流，其串接于架线上；交流输入线电压传感器4用于采样整流电源的交流输入线电压，其并接于交流输入两相两端；微处理器5用于控制三相全桥整流电路2的工作，进而向直流架线输出正向脉动直流电源，同时检测整流电源的输出直流电流和输出直流电压，其分别连接架线直流电流霍尔传感器3的输出、交流输入线电压传感器4的输出和三相全桥整流电路2的输出，其输出分别控制交流接触器1、三相全桥整流电路2中的开关管的工作状态；上位机6与微处理器5通过RS232接口进行通讯。
架线直流电流霍尔传感器3、交流输入线电压传感器4分别检测整流电源的输出直流电流和输出直流电压，微处理器5对其进行特征提取，得到样本的特征，得到几种典型直流架线电流及其相应的保护动作情况。所述架线短路检测方法中，包括整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况判断，综合对架线短路情况进行判断，当检测整流电源架线电流故障识别算法达到架线电流故障预定条件，由于整流电源的三相交流电源是整流变压器供电，而整流变压器有内阻，当架线发生短路情况时，输入交流电源线电压会跌落较大幅度，因此，检测疑似架线电流故障时的整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值，如果是，则判断为符合架线短路的情形，从而进行保护动作。如果不是，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
本发明的矿用直流架线短路检测方法主要基于上述实施例的矿井直流架线用整流电源装置，包括整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况进行判断，具体包括以下步骤：
检测整流电源架线电流故障识别算法是否达到架线电流故障预定条件；以及
检测整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值，
若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
进一步地，基于架线电流上升率、架线电流稳态增量综合对架线短路情况进行判断包括：
检测架线电流上升率是否达到预设的电流上升率整定值；以及
检测架线电流稳态增量是否达到预设的整定阈值，
若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
接上述技术方案，所述架线短路检测方法中，还进一步基于架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间对架线短路情况进行判断，具体包括：
检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间是否在预设的返回延时整定值以内；
若检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
进一步地，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若架线电流稳态增量的延时时间达到预设的延时整定值，则判断为符合架线电流故障的情形。
进一步地，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若整流电源的架线电压在正常范围内，则判断为符合架线远距离短路的情形。
进一步地，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若整流电源的架线输出电压低于正常范围，则判断为符合架线近距离机车起动的大电流的情形，从而不进行短路保护操作。
进一步地，当检测整流电源架线电流故障识别算法达到架线电流故障预定条件，由于整流电源的输入三相交流电源是整流变压器供电，而整流变压器有内阻，当架线发生短路情况时，输入交流电源线电压会跌落较大幅度，因此，检测疑似架线电流故障时的整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值，如果是，则判断为符合架线短路的情形，从而进行保护动作。如果不是，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
参阅图2，图2是所述几种典型架线直流电流及其相应的架线电流故障判定的情况图。
图2中，横坐标轴为为时间轴，纵坐标轴为整定电流值轴。图2示出了四种典型情况的曲线，具体如下：
曲线(1)：电流稳态增量△i超过了预设的整定阈值，但是该电流稳态增量△i的延时时间不够(即小于预设的延时整定值)；该情况不符合架线短路的情形，此时架线电流故障判定不成立。
曲线(2)：电流上升率di/dt保持高于预设的电流上升率整定值，且该电流上升率di/dt的延时时间达到了预设的延时整定值；电流稳态增量△i超过了预设的整定阈值，且该电流稳态增量△i的延时时间达到了预设的延时整定值；该情况符合架线短路的情形，此时架线电流故障判定成立。
曲线(3)：在持续的电流上升过程中，电流上升率di/dt保持高于预设的电流上升率整定值，只是在中间的一阶段电流上升率di/dt有过短暂的回落至预设的电流上升率整定值以下，不过回落的时间没有达到预设的返回延时整定值，而后电流上升率di/dt又继续升高且保持高于预设的电流上升率整定值，直至电流稳态增量△i超过了预设的整定阈值，并且该电流稳态增量△i的延时时间也达到了预设的延时整定值；该情况符合架线短路的情形，此时架线电流故障判定成立。
曲线4)：与曲线(3)相反的，在电流上升的过程中，出现了电流上升率di/dt回落至电流上升率整定值以下的情形，而且该回落的时间已经超过了预设的返回延时整定值，此时满足了保护返回条件，即在回落时间的结束时刻e点重启故障保护识别分析，即将e点作为新基准点进行检测识别，在此情况下不符合架线短路的情形，因而架线电流故障判定不成立。
基于上述几种典型情况的分析，本发明进一步提出了架线电流实时采样故障诊断程序流程。具体的，包括整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况判断，是一种基于架线电流上升率、电流增量以及输入交流电压来检测并综合判断的矿井下直流架线供电***的短路电流的方法。主要是对架线电流进行快速的定时实时采样的架线电流故障识别程序部分进行描述，请参阅图3，图3包括主程序流程图和定时实时采样的架线电流故障识别程序图：
如图3(a)所示，微处理器的主程序主要包括：对处理器的AD、定时器等寄存器初始化操作，启动电源供电指令，架线电流故障识别算法程序，当认定架线电流故障判定成立后，再检测输入交流电源线电压有效值是否掉落到阈值，如果是，则认定架线短路故障成立，及时断开真空接触器，整流电源停止供电；
如图3(b)所示，架线电流故障识别子程序主要包括针对电流上升率及稳态电流增量两个指标是否达到动作阈值，如果是，还要分别进行延时整定再次判断，只有所有情况都满足预定条件时，才认定架线电流故障成立。具体流程是：实时监测架线电流，根据两次间隔采样电流数值计算出电流上升率di/dt，当它超过了预设整定阈值时，开始进行架线故障识别，经过一段延时后，再次间隔采样电流数值并计算出电流上升率di/dt，如果还超过预设整定阈值时，则进行电流稳态增量判别；如果此时di/dt不超过预设整定阈值，则返回再次重新采样电流并判断。再次监测架线电流，计算出电流稳态增量，如果它超过了预设整定阈值时，再经过一段延时后，再次监测架线电流并计算出电流稳态增量，如果还超过预设整定阈值，则判定架线电流故障成立；只要有电流稳态增量不超过预设整定阈值，则判定架线电流故障不成立。如此往复实时采样架线电流并判断。
综上，本发明的矿井直流架线用整流电源的直流架线短路电流识别技术，其采用了针对架线电流上升率、电流增量以及架线电压综合判断相结合的方法，能有效区分煤矿井下架线整流电源供电***的直流远距离架线短路电流和多机车近距离启动电流，从而实现架线短路故障的可靠检测及保护。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种矿井直流架线用整流电源装置，其特征在于，包括：
三相真空交流接触器，用于控制接入三相交流电源；
三相全桥整流电路，用于将三相交流电整流成脉动的直流电，为架线负载提供直流工作电源，其串联在三相真空交流接触器之后；
直流电流传感器，用于检测输出工作电流，其串接于架线输出回路中；
交流电压传感器，用于感知整流电源的输入交流线电压，其并接于输入三相交流电源的AB相间；
微处理器，用于控制所述三相全桥整流电路的通断，同时实时采集所述直流电流传感器、直流电压传感器的输出，实时计算出整流电源输出直流的电流上升率、电流增量以及整流电源输出直流电压，通过整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况进行判断；
上位机，其与所述微处理器电路通讯。
2.根据权利要求1所述的矿井直流架线用整流电源装置，其特征在于，所述三相全桥整流电路是三相全桥可控硅整流电路，所述直流电流传感器是架线直流电流霍尔传感器。
3.根据权利要求1所述的矿井直流架线用整流电源装置，其特征在于，上位机是能够直接发出操控命令的便携移动设备，所述上位机具有输入用的键盘、键盘处理、显示处理电路以及显示器。
4.一种矿用直流架线短路检测方法，其特征在于，其基于权利要求1-3中任一项所述的矿井直流架线用整流电源装置，包括通过整流电源架线电流故障识别及输入交流电源电压跌落故障识别综合对架线短路情况进行判断，具体包括以下步骤：
检测整流电源架线电流故障识别算法是否达到架线电流故障预定条件；以及
检测整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值；
若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
5.根据权利要求4所述的矿用直流架线短路检测方法，其特征在于，其中整流电源架线电流故障识别基于架线电流上升率、架线电流稳态增量综合对架线短路情况进行判断，具体包括以下步骤：
检测架线电流上升率是否达到预设的电流上升率整定值；以及
检测架线电流稳态增量是否达到预设的整定阈值；
若存在任意检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
6.根据权利要求5所述的矿用直流架线短路检测方法，其特征在于，该方法还进一步基于架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间对架线短路情况进行判断，具体包括：
检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间是否在预设的返回延时整定值以内；
若检测结果为否，则判断为不符合架线短路的情形，从而不进行保护动作。
7.根据权利要求4或5所述的矿用直流架线短路检测方法，其特征在于，
在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若架线电流稳态增量的延时时间达到预设的延时整定值，则判断为符合架线电流故障的情形。
8.根据权利要求4或5所述的矿用直流架线短路检测方法，其特征在于，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若整流电源的架线电压在正常范围内，则判断为符合架线远距离短路的情形。
9.根据权利要求4或5所述的矿用整流电源架线电流故障识别方法，其特征在于，在检测架线电流上升率达到预设的电流上升率整定值，检测架线电流稳态增量达到预设的整定阈值，以及检测架线电流上升率回落至预设的电流上升率整定值以下的时间在预设的返回延时整定值以内的情况下，若整流电源的架线输出电压低于正常范围，则判断为符合架线近距离机车起动的大电流的情形，从而不进行短路保护操作。
10.根据权利要求4或5所述的矿用直流架线短路检测方法，其特征在于，当检测整流电源架线电流故障识别算法达到架线电流故障预定条件，再检测疑似架线电流故障时的整流电源输入交流电源线电压是否跌落至预设的整定阈值，如果是，则判断为符合架线短路的情形，从而进行保护动作。
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