专利名称：煤矿井下照明及信号的远距离高效供电及短路保护方法
技术领域：
本发明涉及煤矿井下照明及信号供电系统，适用于该系统的远距离高效供电及短路可靠保护。
目前，我国煤矿井下照明及信号供电系统尚未做到远距离高效供电。原因是国内煤矿井下使用的照明信号综合装置及其构成的供电系统存在以下问题1、目前采用的电流取样短路保护，限制了供电距离，因为这种方式的短路保护其整定电流与供电距离和电缆截面相关，尤其电缆的截面受矿用灯具喇叭口径制约而偏小，更限制了供电距离。如4KVA的BZX-4型照明信号综合装置，在采用4mm2电缆情况下，所允许的短路保护有效距离仅为450m，满足不了现场的需要。
2、电源主变压器的容量得不到充分利用，因为采用电流取样的短路保护限制了供电距离，象4KVA的BZX-4型装置在短路有效保护的450m供电距离内，按每20m装一盏20W荧光灯计算，需装23盏灯，两翼共46盏灯，功率仅为0.92KW，电源主变压器的容量利用率太低，即使不考虑上述短路保护对供电距离的限制，由于电缆截面偏小而供电线路沿线电压损失偏大，广泛使用荧光灯、无功损耗大，也会造成电源主变压器的容量得不到充分利用，按每20M装一盏20W荧光灯，允许沿线电压损失10%计算，最长供电距离为780M，单翼装39盏灯，双翼共装78盏灯，功率仅为1.56KW。荧光灯的功率因数为0.5，则4KVA电源主变压器功率利用最大为2KW。
3、在照明和声光信号混用的供电系统中使用时困难更大。采用电流取样的短路保护，整定电流通常按最大工作电流整定，因而，在照明和声光信号混用的供电系统中，如按照明工作电流整定，则在声光信号启动电流的冲击下易产生误动作;如按照明的工作电流与声光信号启动电流之和整定，则在无声光信号仅有照明的情况下，发生短路时有可能拒保护，这对煤矿安全来说，显然是个隐患。用户在使用国内现有的照明信号综合装置于该系统中，只能将照明与声光信号分别馈线供电，或更换原来电缆，多添一芯作信号线，这样会增加用户投资;或将两相电源供照明用，另一相电源供声光信号用，则又会造成电源主变压器三相负载不平衡，使声光信号相的电源容量得不到充分利用。
在国内，为解决煤矿井下照明及信号远距离供电线路的短路保护，有的矿井采用屏蔽电缆与漏电继电器相配合，以超前断电来实现的，要在煤矿井下照明及信号供电线上采用屏蔽电缆，不适合我国目前的国情。
综上所述可知，为了实现煤矿井下照明及信号远距离高效供电必须解决的关键问题是(1)采用不限制供电距离的短路保护;(2)补偿供电线路上的无功损耗，最大限度地提高电源主变压器容量的利用率;(3)减少或补偿供电线路上沿线的电压损失，最大限度地延长供电距离。
本发明的目的是提出一种利用供电线路上末端的失压信号来实现短路保护的方法，并通过中间自耦升压补偿和中间电容无功补偿，妥善地解决煤矿井下照明及信号的远距离高效供电和短路可靠保护的问题。
本发明是通过采取下列技术方案实现的
1、末端失压短路保护;采用取照明及信号供电线路上末端的失压信号来实现短路保护。
照明及信号供电线路上若发生金属性短路，则短路的两相或三相末端电压为零;若发生不完全短路，则短路的两相或三相末端电压仅为很小的残压，因此，本发明在供电线路的末端，按三相△形接法连接三个小型继电器，三个继电器对应的三个常闭接点并联后一端接地、另一端接一电阻，该电阻再接在三个二极管的正极，并通过这三个二极管的负极分别连接三相电网，一旦供电线路上发生两相或三相短路，供电线路末端的失压信号必然使三个继电器中总有一个要释放，其对应的常闭点恢复闭合，通过二极管使上述电阻并接在电网与大地之间，从而可以直接由照明及信号综合供电装置中的漏电保护检测电路检测电网因该电阻接地造成的对地漏电信号，使开关跳闸，实现短路保护。
2、中间电容无功补偿;采用在煤矿井下照明及信号供电线路全长2/3点处投入电力电容器。
3、中间自耦升压补偿，采用在煤矿井下照明及信号供电线路压降达10～20%加设自耦变压器。
本发明的优点是1、采用末端失压信号实现供电线路短路保护的方案，电压的整定值只需考虑不完全短路残压的影响，因而电压整定值很低，不超过20伏，在供电线路末端加设的小型继电器只需选择其释放电压值大于不完全短路残压值即行。显然，这种不按电流整定的短路保护方案，即采取供电线路末端失压信号通过漏电检测信道而不占用独立信道的短路保护方案，可以做到照明供电到哪里，短路保护都能起作用;既可以克服采用电流取样短路保护方案限制供电距离和不能充分利用电源主变压器容量的缺点，又可以做到照明与声光信号能同时混用于原来的供电线路，具有明显的经济性，且保护可靠。
2、利用电容补偿荧光灯照明线路上的无功损耗，又能减少沿线的电压损失，起到提高电源主变压器容量的利用率，延长供电距离的作用，并有节能效果。
3、利用自耦变压器提升该点输出电压，以补偿前级沿线的电压损失，起到延长供电距离的作用。
图1、煤矿井下照明及信号的远距高效供电及短路保护方法的原理图。
图2、煤矿井下照明及信号综合装置的电路原理图。
下面结合附图用实施例对本发明做进一步的描述中间自耦升压补偿装置“ZV”、中间电容无功补偿装置“ZC”及末端失压信号取样装置“M”与主机“KZX-4-Ⅰ”共同构成煤矿井下照明及信号远距离高效供电系统，如图1、图2所示。
主机的电气原理简述如下主机L1、L2、L3、为输入端子，输入额定电压为660V或380V;U、V、W为输出端子，输出额定电压为127V。TM为电源主变压器，容量为4KVA。TC为控制变压器，输出两组电源，一组为36V，作控制电路电源，另一组为24V，作保护插件电源。
(1)顶置状态当隔离开关QS合上，TM输出127V电源，TC输出36V和24V电源。
当保护插件有24V电源即进入顶置状态，发光二极管VD20经电阻R1限流导通发光，作电源指示。经二极管VD1整流，C1滤波，再经三端稳压电路IC2及稳压管VDW1稳压，输出直流电源，集成四运放IC1-1～IC1-4作比较器。四个比较器预置输出状态均为低电平，并使三极管T1截止，执行继电器K1释放，其在控制电路中的常闭接点K1-1闭合。
主机KZX-4本身具备漏电保护用的直流漏电检测电路，用来监视电网对地的绝缘水平，检测信号以大地端为正流向电网，并在开关启动后方能输出。
(2)漏电闭锁当开关启动前，交流接触器KM1释放，其常闭触点KM1-6闭合。
保护插件从直流电源正极L+、经电阻R27、R26、交流接触器常闭触点KM1.6至W输出端子，再经供电线路上的负载和中间自耦变压器T连通，并经三相电网对地绝缘水平进行监视的漏电闭锁直流检测回路。此时，若电网对地绝缘水平下降至漏电闭锁规定的动作值(6KΩ±20%)，比较器IC1-1反相输入端的信号低于同相输入端的给定电平，IC1-1输出高电平，一是通过二极管VD11，经R34，击穿稳压管VDW2，给三极管T1偏置电流，使其饱和导通，同时执行继电器K1吸合，使其常闭接点K1-1分断，使开关控制电路无法接通，从而实现漏电闭锁;二是通过限流电阻R8，使发光二极管VD21导通发光，给出漏电闭锁指示。
如开关启动前，对地绝缘水平高于规定动作值，则允许开关启动，形状启动后，交流接触器KM1吸合，其常闭触点KM1.6分断，漏电闭锁检测回路被切断，退出漏电闭锁检测。
(3)漏电保护在开关启动后，交流接触器常开接点KM1.5闭合，接通了供电系统在送电后的三相电网对地绝缘水平进行监视的漏电保护检测回路(即漏电保护检测信道)。
开关启动后，交流接触器主触点KM1.1～KM1.3闭合，开关的馈出线U、V、W有127V三相电源，经电阻R36、R37、R38限流，二极管VD17、VD18、VD19三相桥式半波整流获取漏电保护直流检测电源，并有二极管VD20、VD21、VD22和稳压管VDW3、VDW4、VDW5进行三相稳压。经续流二极管VD23、交流接触器常开触点KM1.5，电阻R28、R29入地，并经三相电网对地绝缘电阻回到三相电网，构成在供电系统送电后，对三相电网对地绝缘水平进行监视的漏电保护直流检测回路。此时，若电网对地绝缘水平下降至危险值(规定为10KΩ+20%)，经电阻R30送到比较器，IC1-2同相输入端的信号高于反相输入端的给定电平，IC1-2输出高电平，通过限流电阻R13，使发光二极管VD22导通发光，给出电网绝缘水平危险指示。
如果电网的绝缘水平继续至漏电保护规定的动作值(3KΩ+20%)，再经续流二极管VD16，送至比较器，IC1-3同相输入端的信号高于反相端的给定电平，IC1-3输出高电平，并通过二极管VD4、VD5、电阻R34使稳压管VDW2击穿，使三极管T1饱和导通，同时执行继电器K1吸合，使其常闭接点KM1.1分断，切断36V控制电路，使开关跳闸，从而实行漏电保护。
一旦开关实行漏电保护跳闸后，保护插件立即返回到漏电闭锁检测状态，由于此时电网的对地绝缘水平低于3KΩ+20%，开关立即实行漏电闭锁，并通过发光二极管VD21发光作漏电闭锁指示。
本发明提出的煤矿井下照明及信号的远距离高效供电及短路保护方法的电气原理描述如下本发明的方案关键是设计出具有末端失压短路保护、中间电容无功补偿和中间自耦升压补偿的煤矿井下照明及信号供电系统。
中间自耦升压补偿装置ZV内有三相自耦变压器T，自耦变压器额定电磁容量为400VA，额定电流为9A，分102V/127V，114V/127V两档;中间电容无功补偿装置ZC内装有三相电力电容器C，电容设计值为1KVar、2KVar两种规格;末端失压信号取样装置M内装有小型继电器K2、K3、K4以及二极管VD41、VD42、VD43和电阻R41，如图1、图2所示。
在供电线的末端，按三相△形接法连接三个小型继电器K2、K3、K4，其对应的三个常闭接点K2.1、K3.1、K4.1并联后一端接地，另一端接电阻R41、，电阻R41再接在三个二极管VD41、VD42、VD43的正极上，并通过这三个二极管的负极分别连接三相电网。
开关启动前，由于末端取样装置“M”中的二极管VD41、VD42、VD43对于漏电闭锁检测信号来说是反偏的(因为漏电闭锁直流检测信号是从电网入地的)，起隔离作用。
主机KZX-4启动后，向照明及信号供电线路送127V电，末端取样装置M中的小型继电器K2、K3、K4吸合，它们对应的常闭点K2.1、K3.1、K4.1断开。
此后，一旦电网发生两相或三相短路，继电器K2、K3、K4中总有一只会释放，并闭合其常闭接点，将人为地把电阻R41(其值为2KΩ)通过二极管VD41(或VD42、VD43)接入电网与地之间，使得三相电网-R36、VD7R37、VD18R38、VD19-VD23-KM1.5-R28-R29-地-K2.1或K3.1、K4.1-R41-VD41或VD42、VD43-三相电网的漏电保护检测回路接通。由于R41小于开关漏电保护规定的3KΩ+20%动作值，经R30、VD16送到比较器IC1-3同相输入端的信号高于反相输入端的给定电平，IC1-3输出高电平，IC1-3输出高电平，一是通过二极管VD4、VD7、电阻R34使稳压管VDW3击穿，使三极管T1饱和导通，同时执行继电器K1吸合，使其常闭接点K1.1分断，切断36V控制电路，使开关跳闸，从而实现短路保护，二是通过限流电阻R20，使发光二极管VD23导通发光，作短路保护指示。
开关跳闸后，返回到漏电闭锁检测。由于末端取样装置中的二极管VD41、VD42、VD43对于漏电闭锁直流检测回路来说是反偏，所以电阻R41并不投入漏电闭锁检测回路，而IC1-3在电阻R19和VD3反馈作用下，维持输出高电平，VD23维持发光。如果是漏电保护，当开关跳闸后，再实行漏电闭锁时，则IC1-2输出高电平，并通过二极管VD8施加到IC1-3的反相输入端，使IC1-3解锁复位而输出低电平，VD23是不亮的，这一点与末端失压短路保护是有区别的。
可见，末端失压短路保护信号是通过漏电保护检测信道传送到主机的。
在短距离(500米以内)供电情况下，主机可独立使用，即直接依靠主机中的电流取样电路实行短路保护。
主机馈出线母线上有电流互感器TA1和TA2，将供电线路上的电流线性变换成电压信号，经BR1、BR2桥式整流，电容C5、C6滤波，再经二极管VD12、VD13或门输出，通过R24送到比较器IC1-4同相输入端。
一旦供电线路上发生短路，电流超过过流整定值19±0.5A时，IC1-4同相输入端的信号高于反相输入端的给定电平，IC1-4输出高电平，通过二极管VD6、VD7、电阻R34，使稳压管VDW2击穿，使三极管T1饱和导通，同时执行继电器K1吸合，使其常闭接点K1.1分断，切断36V控制电路，使开关跳闸，从而实行短路保护，并通过二极管VD6、电阻R20使发光二极管VD23发光，作短路保护指示。
权利要求
1.一种煤矿井下照明及信号的远距离高效供电及短路保护方法，其特征在于在供电线路的末端，按三相△形接法连接三个小型继电器；三个继电器对应的三个常闭接点并联后一端接地，另一端接一电阻，该电阻再接在三个二极管的正极上，并通过这三个二极管的负极分别连接三相电网，并直接由照明及信号综合供电装置中的漏电保护检测电路检测电网因该电阻接地造成的对地漏电信号，使开关跳闸；在照明及信号供电线路压降达10～20%点处加设自耦变压器；在照明及信号供电线路全长的2/3点处投入电力电容器。
全文摘要
本发明提供了一种利用供电线路上末端的失压信号实现短路保护的方法，其特点是在煤矿井下照明及信号供电系统中增设了末端失压短路保护电路、中间电容无功补偿电路和中间自耦升压补偿电路。本发明可以做到照明供电到哪里，短路保护都能起作用，既可以克服采用电流取样短路保护方案限制供电距离和不能充分利用电源主变压器容量的缺点，又可以做到照明与声光信号能同时混用于原来的供电线路。
文档编号H02H3/32GK1085019SQ93108668
公开日1994年4月6日 申请日期1993年7月21日 优先权日1993年7月21日
发明者荣亦诚, 王俐, 潘学盈, 龚幼民 申请人:淮南矿业学院