专利名称：矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置及方法
技术领域：
本发明公开了一种矿用隔爆馈电开关的综合保护装置及方法。涉及矿用隔爆真空馈电开关的综合保护装置及方法，特别涉及矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器的综合保护装置及方法。
背景技术：
目前煤矿井下使用的矿用隔爆馈电开关或矿用隔爆真空馈电开关的综合保护装置，既有基于模拟电路的保护器，又有基于单片机和数显的综合保护装置。基于单片机和数显的综合保护装置在壳体中其主要包括以CPU电路为核心的模拟量采集电路、开关量输入输出电路、通信电路、键盘液晶指示电路。有判断漏电信号功能。还有短路、过载、断相等一般保护功能。
基于专利申请号为03284896.X及200420031205.8的专利技术，其实用新型名称均为矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器。在电源输入接线腔或电源输出接线腔带电开盖情况下能实现分级闭锁断电，但是其综合保护装置却没有工人带电违章开盖记录功能，无法同时区分正常漏电跳闸和分级闭锁跳闸，违章操作信息自然不能上传到监控系统。以下“电源输入接线腔”简称为电源腔，“电源输出接线腔”简称为负载腔。
发明内容
本发明的目的，提供一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置及方法，设计分级闭锁开关动作电路，在电源腔或负载腔带电开盖分级闭锁动作时由分级闭锁开关动作记录电路判断违章信息，保存并上传到监控系统，区分分级闭锁跳闸。记录工人带电违章开电源腔或负载腔盖的信息。提供电源腔违章开盖、负载腔违章开盖、正常漏电跳闸判别综合保护方法。
为实现上述目的，提供一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，在壳体中主要包括以CPU电路为核心的模拟量采集电路、开关量输入输出电路、通信电路、键盘液晶指示电路，特征在于，还包括由分级闭锁开关动作电路与分级闭锁开关动作记录电路构成的电路。
分级闭锁开关动作电路与分级闭锁开关动作记录电路构成的电路主要为在电源腔分级闭锁开关XK1上增加一个常闭接点，对应PK1和PK2，由分级闭锁开关动作记录电路接入CPU电路，在负载腔分级闭锁开关XK2上增加一个常开接点，对应LK1和LK2，由分级闭锁开关动作记录电路接入CPU电路。
通信电路采用RS485总线型电路或频率型电路。
提供一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于，当本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置通信电路采用频率型电路时，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，P3.1为高电平，上传约定频率信号a之后不工作为电源腔违章开盖；P3.0为低电平，上传约定频率信号b为负载腔违章开盖。
其上级保护装置，r＝Rj时跳闸前收到约定频率信号a，跳闸后收到0Hz频率信号为电源腔违章开盖；绝缘电阻r大于标准漏电电阻时收到约定频率信号b为负载腔违章开盖；绝缘电阻r小于等于漏电标准电阻时，跳闸前收到约定频率信号c，跳闸后收到0Hz频率信号为正常漏电跳闸。
其中a可为200Hz，b可为300Hz，c可为1000Hz。
提供一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于，当本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置通信电路采用RS485总线型电路时，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，P3.1为高电平，上传约定特征字节信号d之后不工作为电源腔违章开盖；P3.0为低电平，上传约定特征字节信号e为负载腔违章开盖。
其上级保护装置，r＝Rj时跳闸前收到约定特征字节信号d，跳闸后通信故障为电源腔违章开盖；绝缘电阻r大于标准漏电电阻时收到约定特征字节信号e为负载腔违章开盖；绝缘电阻r小于等于漏电标准电阻时，跳闸前收到约定特征字节信号f，跳闸后通信故障为正常漏电跳闸。
其中d可为01H，e可为02H，f可为FFH。
本发明的有益效果分级闭锁开关动作电路简单，由CPU判断分级闭锁开关的分合状态，将电源腔或负载腔开盖动作记录特征字节或频率值保存在非易失性存储芯片中，通过通信电路上传监控系统。提供电源腔违章开盖、负载腔违章开盖、正常漏电跳闸判别综合保护方法。
附图编号附图中101.CPU电路，102.模拟量采集电路，103.开关量输入输出电路，104.分级闭锁开关动作记录电路，105.通信电路，106.键盘液晶指示电路，107.分级闭锁开关动作电路。
图1本发明原理框图；图2本发明分级闭锁开关动作记录电路原理图；图3本发明分级闭锁开关动作电路原理图；图4本发明CPU电路原理图；图5本发明模拟量采集电路原理图；
图6本发明开关量输入输出电路原理图；图7本发明键盘液晶指示电路原理图；图8本发明通信电路原理图。
具体实施例方式
如图1所示，一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，在壳体中主要包括以CPU电路101为核心的模拟量采集电路102、开关量输入输出电路103、通信电路105、键盘液晶指示电路106，特征在于，还包括由分级闭锁开关动作电路107与分级闭锁开关动作记录电路104构成的电路。
如图4所示，其中CPU电路中CPU主要元件为单片机U1——W77E58，A/D芯片U2——AD0848，精密基准电压芯片U3——TL431，有源晶振U4——12MHz和看门狗及存储芯片U5——X5045。滤波电容C1，C2，C3，C4。CPU电路与液晶键盘电路之间的三十四脚插座J1。J2，J3，J4为跳线开关。当三个跳线开关同时接图示位置时，P3.0，P3.1，P3.5分别对应接通LOADK，POWERK，CH4GAS；当三个跳线开关同时接图示另外位置时，P3.0，P3.1，P3.5分别对应接通RXD，TXD，RS485。J5为数据总线对应的上拉排阻。
如图5所示，参见图4，其中模拟量采集电路对应输入的模拟量有A相电流——IA、B相电流——IB、C相电流——IC、电压——VSAMPLE、漏电电阻——INSUR和瓦斯浓度——CH4GAS。A相电流——IA、B相电流——IB、C相电流——IC采用了量程自动切换电路，分成高低两档，形成了A相电流高档——IABIG、B相电流高档——IBBIG、C相电流高档——ICBIG、A相电流低档——IASMALL、B相电流低档——IBSMALL、C相电流低档——ICSMALL。
电流高档只经过阻容滤波，以IABIG为例，只经过R3、C5构成的阻容滤波电路。电流低档还需进一步处理，以IASMALL为例，首先经过R3、C5构成的滤波电路，再经过U6A构成电压跟随，再经过R6、R7、R12和U6C构成反向放大电路，再经过隔直电容C8，最后经过R15、R16、C11构成的阻容滤波电路，生成A相电流低档——IASMALL。
电压——V1、V2经过稳压管W1、整流桥Q1、分压滤波R23，R24，C14生成电压采样值VSAMPLE。
电流和电压采样值IASMALL、IBSMALL、ICSMALL、IABIG、IBBIG、ICBIG、VSAMPLE进入八选一多路转换开关4051——U8，在选通控制——P2.5、P2.6、P2.7作用下的八选一信号X经过电压跟随——U7A和直流偏置——VREF、R21、R22，生成信号——SIGNAL，最后进入AD0848的CH1。电流保护算法采用直流采样算法。D1、D2用来保护运放。
漏电信号经R25、R26分压，经U7D电压跟随后生成漏电电阻采样值INSUR，直接进入AD0848的CH8。D3、D4用来保护运放。
由瓦斯浓度传感器传来的瓦斯浓度频率信号经过R27、R28、U9构成的光电隔离后生成频率信号CH4GAS，经过跳线开关J4进入单片机的P3.5。
如图6所示，参见图4，开关量输入输出电路输入的开关量分别为联机启动反馈——REPLY、启动/停止——START、单机/联机——SINGLEM。开关量分别通过光电隔离芯片U12、U13、U14进入单片机。
输出的开关量分别为启动下一台——NEXT、本机跳闸闭锁——BJ。两者驱动过程相同。以启动下一台——NEXT为例，启动信号NEXT为低电平时，光隔U10导通，经过三级管——T1放大，进而驱动控制继电器——K1动作，其辅助接点作为驱动输出。反向并联二极管D6、D7分别为与直流继电器K1、K2配合。
如图8所示，参见图4，通信电路为200-1000Hz频率型和RS485总线型。前者用于与监控系统联网，后者用于调试。200-1000Hz频率信号FOUT首先经过非门U17驱动后，经R43限流，再经本安隔离变压器GB，最后经稳压元件——W2、W3、W4、W5和限流元件——R44、R45与监控系统联网。RS485通信回路的电压隔离，由DC-DC变换器U21——5S5和滤波电容C15组成。RS485通信回路的光电隔离，由光电隔离芯片——U18、U19、U20及附属电阻——R46、R47、R48、R49、R50、R51组成。RS485的收发控制芯片为MAX487——U22，R52为匹配电阻，一般不接。
如图7所示，参见图4，键盘液晶指示电路构成为键盘采用四个按键，分别为“确定”——KEY1、“上”——KEY2、“下”——KEY3、“复位”——RESET。无键按下时，由于下拉电阻——R53、R54、R55，进入芯片U23——4078的电平为低电平，U23的输出w为高电平，不会引起中断。只要有键按下，进入芯片U23——4078的电平将变为高电平，U23的输出w为低电平，会引起中断INTO。这时AD0848的CH2、CH3和CH4开始采集，进而判断那个键被按下。R57为液晶模块的对比度调节电位器。J6为与液晶模块连接的十八脚插座。液晶模块采用金鹏电子有限公司生产的内含标准字库的中文液晶模块OCMJ5X10。J7为液晶键盘电路与CPU电路之间的三十四脚插座。电源指示回路由限流电阻R59和电源指示发光二极管L2组成，上电后L2亮。故障指示电路由R58、发光二极管L1组成，高电平驱动。
参见图2、图3，由分级闭锁开关动作电路107与分级闭锁开关动作记录电路104构成的电路主要为在电源腔分级闭锁开关XK1上增加一个常闭接点，对应PK1和PK2，由分级闭锁开关动作记录电路接入CPU电路，在负载腔分级闭锁开关XK2上增加一个常开接点，对应LK1和LK2，由分级闭锁开关动作记录电路接入CPU电路。
如图2所示，参见图3、图4，分级闭锁开关动作记录电路104为分级闭锁开关XK1的辅助常闭接点对应PK1和PK2。PK1和PK2的接通与断开对应光隔U15的导通与截止，进而改变POWERK的电平值，并通过跳线开关J3进入单片机的P3.1。分级闭锁开关XK2的辅助常开接点对应LK1和LK2。LK1和LK2的接通与断开对应光隔U16的导通与截止，进而改变LOADK的电平值，并通过跳线开关J2进入单片机的P3.0。
矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置的电源采用外置开关电源。开关电源为三路输出，分别为VCC，-5和+12，其中VCC有一个独立“地”DGND，而-5和+12共用一个“地”SGND。+12为漏电闭锁检测提供附加直流电源。所选用的开关电源按容量要求选择。
矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置记录问题。根据矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器专利技术，对于电源腔开盖，其常闭接点接在漏电电阻回路中。正常运行时常闭接点断开，如果开盖后则该接点接通漏电电阻，由上一级馈电开关跳闸。根据标准“MT871-2000矿用隔爆型低压交流真空馈电开关”，上级开关的1kΩ电阻动作时间，对1140V，动作时间≤50mS；对660V，动作时间≤80mS；对380V，动作时间≤80mS。实际情况是，将电阻采集时间、判断时间和接触器跳闸固有时间加一起，上级馈电开关动作时间一般不小于20mS。而本级保护装置判断的是开关量，单片机能够在自身失电之前储存并上传故障信息。对于负载腔开盖，其常开接点接在控制回路中。正常运行时常开接点闭合，如果开盖后则该接点断开，真空交流接触器失电跳闸。由于跳闸并不影响控制电路的电源，所以能记录负载腔开盖闭锁故障。
对于监控系统而言，对上级馈电开关的跳闸信息，正常漏电故障不会产生开关闭锁信息，因此能够区分正常漏电以及由于带电违章开盖所对应的人为漏电。当然，无电情况下的作业检修，由于没有信息上传，监控系统可以区分。
为更清楚本发明的技术方案，参见图3，介绍一下矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置的动作保护原理①原矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器专利技术的基本原理如果发生工人带电违章打开电源腔，则XK1的常闭接点闭合，接通漏电电阻Rj，造成上级跳闸，切断电磁启动器电源，防止电火花引起瓦斯爆炸。
如果发生工人带电违章打开负载腔，则XK2的常开接点断开，真空交流接触器失电跳闸，切断电磁启动器负载，防止电火花引起瓦斯爆炸。
②矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器合闸之前的漏电闭锁附加直流电源+12正极接大地，经绝缘电阻r后进入电网，再经过常闭接点CJ1进入漏电电阻测量端INSURES。根据分压的大小以及取样电阻值反算出电网对地绝缘电阻，如果低于标准值则通过BJ-BJ1、BJ2闭锁。
③矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器的启动如果漏电闭锁检测通过，则说明可以启动。此时BJ对应的BJ1、BJ2是闭合的。负载腔盖好后，XK1是断开的，XK2是闭合的。
如果为近控/远控开关1K打到近控，则按下启动按钮QA后，控制回路导通，本安插件动作，其对应的信号继电器XJ闭合，真空交流接触器CJ吸合线圈带电，CJ动作，合闸，通过CJ2进入单片机的START，判断启动是否成功，启动结束。
如果为近控/远控开关1K打到远控，则通过远控按钮进行启动。其动作过程与近控相同。
④矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器的联机检查单机/联机开关2K，判断为联机状态。本机启动后CJ3是闭合的，经过延时，启动下一台，NEXT-NEXT1、NEXT2动作，联控用的K5、K6、K7与下一台的K1、K2、K3对应相连，相当于对下一台远控。
再经过延时，通过REPLY判断下一台是否启动，如果启动则联机成功，否则联机失败。
⑤矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器的保护电流保护电流信号通过电流互感器LH进入保护器的IA、IB、IC、DGND端。
电压保护电压信号通过变压器KB的36V进入保护器的V1、V2端。
漏电闭锁漏电闭锁回路由附加直流电源+12，电网对地绝缘电阻，合闸前的通路CJ1进入保护器的INSURES端。
瓦斯超限断电保护瓦斯浓度信号直接进入保护器的CH4GAS1、CH4GAS2端。
分级闭锁保护根据分级闭锁开关的动作情况储存、上传故障信息、作用于本级跳闸或上级跳闸。
矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法如下当本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置通信电路采用频率型电路时，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，P3.1为高电平，上传约定频率信号200Hz之后不工作为电源腔违章开盖；P3.0为低电平，上传约定频率信号300Hz为负载腔违章开盖；上级保护装置，r＝Rj时跳闸前收到约定频率信号200Hz，跳闸后收到0Hz频率信号为电源腔违章开盖；绝缘电阻r大于标准漏电电阻时收到约定频率信号300Hz为负载腔违章开盖；绝缘电阻r小于等于标准漏电电阻时，跳闸前收到约定频率信号1000Hz，跳闸后收到0Hz频率信号为正常漏电跳闸。
为实现上述涉及上级保护装置的判断方法，上级馈电开关智能综合保护装置现有电路通过频率型接口，由软件编程实现。
当本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置通信电路采用RS485总线型电路时，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，P3.1为高电平，上传约定特征字节信号01H之后不工作为电源腔违章开盖；P3.0为低电平，上传约定特征字节信号02H为负载腔违章开盖；上级保护装置，r＝Rj时跳闸前收到约定特征字节信号01H，跳闸后通信故障为电源腔违章开盖；绝缘电阻r大于标准漏电电阻时收到约定特征字节信号02H为负载腔违章开盖；绝缘电阻r小于等于标准漏电电阻时，跳闸前收到约定特征字节信号FFH，跳闸后通信故障为正常漏电跳闸。
为实现上述涉及上级保护装置的判断方法，上级馈电开关智能综合保护装置现有电路通过RS485总线型接口，由软件编程实现。
其具体综合保护方法还可参见如下叙述电源腔违章开盖判别方法本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置的单片机检测到P3.1由低电平变为高电平时，说明与之相连的POWERK为高电平，光隔U15从截止变为导通，PK1和PK2由断开变为导通，说明分级闭锁开关XK1的常闭接点由正常时的断开变为闭合，认定发生电源腔带电开盖。本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置在上级漏电跳闸时间内首先在X5045内保存其特征字节01H，然后上传信息。采用频率型电路，上传200Hz的频率信号；采用RS485型电路，上传特征字节01H。
上级馈电开关保护装置检测到电网绝缘电阻r＝Rj时，采用频率型电路，同时收到200Hz的频率信号；采用RS485型电路，同时收到01H的特征字节。上级保护装置认定下级开关发生电源腔带电开盖。
负载腔违章开盖判别方法本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置的单片机检测到P3.0由高电平变为低电平时，说明与之相连的LOADK为低电平，光隔U16从导通变为截止，LK1和LK2由导通变为断开，说明分级闭锁开关XK2的常开接点由正常时的闭合变为断开，认定发生负载腔带电开盖。本保护首先在X5045内保存其特征字节02H，然后上传信息。采用频率型电路，上传300Hz的频率信号；采用RS485型电路，上传特征字节02H。
上级馈电开关保护装置检测到电网绝缘电阻r大于标准漏电电阻时，对于频率型电路，收到300Hz的频率信号；对于RS485型电路，收到02H的特征字节。上级保护装置认定下级开关发生负载腔带电开盖。
正常漏电跳闸判别方法正常漏电跳闸之前，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置一直上传正常运行信息。采用频率型电路，上传1000Hz的频率信号；采用RS485型电路，上传特征字节FFH。
正常漏电跳闸之后，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置因停电而停止工作。采用频率型电路，因为不工作可认为输出频率信号为0Hz；采用RS485型电路，造成通信故障。
上级馈电开关保护装置跳闸前检测到电网绝缘电阻r小于等于标准漏电电阻时，采用频率型电路，跳闸前收到1000Hz的频率信号，跳闸后收到0Hz的频率信号；采用RS485型电路，跳闸前收到FFH的特征字节，跳闸后发生通信故障。上级保护装置认定下级开关发生正常漏电跳闸。
权利要求
1.一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，在壳体中主要包括以CPU电路为核心的模拟量采集电路、开关量输入输出电路、通信电路、键盘液晶指示电路，特征在于还包括由分级闭锁开关动作电路与分级闭锁开关动作记录电路构成的电路。
2.权利要求1所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，特征在于分级闭锁开关动作电路与分级闭锁开关动作记录电路构成的电路主要为在电源腔分级闭锁开关XK1上增加一个常闭接点，对应PK1和PK2，由分级闭锁开关动作记录电路接入CPU电路，在负载腔分级闭锁开关XK2上增加一个常开接点，对应LK1和LK2，由分级闭锁开关动作记录电路接入CPU电路。
3.权利要求2所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，特征在于通信电路采用RS485总线型电路。
4.权利要求2所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，特征在于通信电路采用频率型电路。
5.权利要求1或2或3或4所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，特征在于分级闭锁开关动作记录电路(104)为分级闭锁开关XK1的辅助常闭接点对应PK1和PK2。PK1和PK2的接通与断开对应光隔U15的导通与截止，并通过跳线开关J3进入单片机的P3.1。分级闭锁开关XK2的辅助常开接点对应LK1和LK2。LK1和LK2的接通与断开对应光隔U16的导通与截止，并通过跳线开关J2进入单片机的P3.0。
6.一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于当本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置通信电路采用频率型电路时，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，P3.1为高电平，上传约定频率信号a之后不工作为电源腔违章开盖；P3.0为低电平，上传约定频率信号b为负载腔违章开盖。
7.权利要求6所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于a为200Hz，b为300Hz。
8.一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于当本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置通信电路采用RS485总线型电路时，本级矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置，P3.1为高电平，上传约定特征字节信号d之后不工作为电源腔违章开盖；P3.0为低电平，上传约定特征字节信号e为负载腔违章开盖。
9.权利要求8所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于d为01H，e为02H。
10.权利要求6所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于上级保护装置，r＝Rj时跳闸前收到约定频率信号a，跳闸后收到OHz频率信号为电源腔违章开盖；绝缘电阻r大于标准漏电电阻时收到约定频率信号b为负载腔违章开盖；绝缘电阻r小于等于标准漏电电阻时，跳闸前收到约定频率信号c，跳闸后收到OHz频率信号为正常漏电跳闸。
11.权利要求8所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于上级保护装置，r＝Rj时跳闸前收到约定特征字节信号d，跳闸后通信故障为电源腔违章开盖；绝缘电阻r大于标准漏电电阻时时收到约定特征字节信号e为负载腔违章开盖；绝缘电阻r小于等于标准漏电电阻时，跳闸前收到约定特征字节信号f，跳闸后通信故障为正常漏电跳闸。
12.权利要求10所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于a为200Hz，b为300Hz，c为1000Hz。
13.权利要求11所述的一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护方法，特征在于d为01H，e为02H，f为FFH。
全文摘要
本发明公开了一种矿用分级闭锁隔爆真空电磁起动器综合保护装置及方法，其综合保护装置在壳体中主要包括以CPU电路为核心的模拟量采集电路、开关量输入输出电路、通信电路、键盘液晶指示电路，特点在于还包括由分级闭锁开关动作电路与分级闭锁开关动作记录电路构成的电路。分级闭锁开关动作电路简单，由CPU判断分级闭锁开关的分合状态，将电源腔或负载腔开盖动作记录特征字节或频率值保存在非易失性存储芯片中，通过通信电路上传监控系统。其综合保护方法提供了电源腔违章开盖、负载腔违章开盖、正常漏电跳闸判别方法。
文档编号H02B1/00GK101071944SQ20071001053
公开日2007年11月14日 申请日期2007年3月7日 优先权日2007年3月7日
发明者孟庆海 申请人:煤炭科学研究总院抚顺分院