远距离照明综合保护装置大学设计说明3720496

远距离照明综合保护装置摘要目前国内煤矿井下127V照明网络综合保护的保护距离绝大多数在650m以内，并且大中矿井井下皮带运送巷已达千米以上，而老式的采用电流取样的短路保护，从原理上就达不到千米以上的保护距离，因而必须研究新的取样方式；此外，原有的综合保护没有断线保护，而据现场调查，照明网络整根电缆被砸断、扯断、脱空的故障时有发生，常常是前段线路灯亮着，后段线路灯全灭，产生严重的不安全隐患。因此有必要在新研制的远距离照明综合保护中架设断线保护功能，使之更为完善。而本次设计的任务就是设计出集漏电，断线保护于一体并采用新的取样方式的远距离照明综合保护装置。核心词：漏电保护 断线保护 闭锁 直流继电器 三端集成稳压管 取样信号 集成运算放大器 SUMMARYDomestic colliery 127V lighting protection that network protect synthetically distance most within 650 ms in the pit at present, and large-and-middle-scale mine belt transport lane reach kilometers of the above already, and traditional adoption short circuit that electric current take a sample protect in the pit, cant reach one kilometer of protections distance of the above from the principle, therefore must study the new sample way; In addition, already existing comprehensive protection has not broken and is protected, and investigate according to the scene, Lighting network whole root cable bungle and break, tear and break, trouble that come to nothing take place occasionally, Sections of circuit light on before being often, back sections of circuit light all put out, produced the serious hidden danger. So necessary to erect and break to protect the function of protecting synthetically in remote illumination that develop newly, Make it more perfect. And the task that design to design and collect and leak electricity , break and protect on an organic whole and adopt new sample remote lighting comprehensive protector of way.KEYWORD: The electric leakage protecting , Break and protect ,Lock, the direct current relay, three end integrated steady voltage is managed, Signal that take a sample ,Integrated operation amplifier目 录第一章: 引言31.1下井场的照明供电电源.31.2中央泵房的照明供电系统.41.3工作面的照明电源来自移动变电站或采区变电所.4第二章: 低压照明网络故障分析.62.1漏电的定义与起因.62.2对漏电保护的规定.62.3漏电故障的理论分析.7第三章: 几种井下照明网络短路保护方案析.113.1附加电源直流检测.113.2其她的漏电保式.153.3断线故障的分析和保护.18第四章: 漏电、断线保护一体化电路设计.214.1设计思路.214.2电路及原理分析.,214.2.1 性能简介.214.2.2 保护原理.224.2.3 各部分电路简介与原理分析.234.3参数的选择与计算.394.3.1 综合取样电路的参数选择与计算.394.3.2 鉴别回路的参数选择与计算.40第五章: 设计电路的整机调试:.44总结与心得.45参照文献.46第一章 引言矿井照明，涉及煤矿公司的地面照明和井下照明。是矿井供电系统的重要构成部分。照明电网工作与否正常，不仅对于提高劳动生产率，保证煤炭质量有很大影响，并且对于减少人身事故，保持工作人员健康安全有重大作用。良好的矿井照明是安全生产的保障，也是煤矿井下文明生产的重要标志之一。煤矿公司的生产相对其她参也有其特殊性。矿井开采是地下作业，由于受地质条件的制约，生产环境往往十分恶劣，生产条件比较危险，场地狭窄，生产过程中不仅要受自然灾害的威胁，并且也有其她工业普遍存在的事故因素。据记录，全世界每年煤矿事故死亡人数占所有产业工人因工死亡人数的35%。鉴于这种严峻的现实，煤矿公司的生产必须坚持安全第一的方针。这就对矿井照明提示了越来越高的规定。良好的矿井照明，是在保证安全生产的前提条件下，根据煤炭生产和职工生活的需要，同步考虑技术经济上的合理性与可行性，设立的照明系统应适合煤矿生产的特点和规定，安全可靠，灵活经济。本设计是以井下低压电网照明网络为研究对象来研究井下照明网络的漏电、断线保护电路。因此，有必要对井下照明网络的特点作进一步的理解，以便根据生产实际制定合理的保护方案。照明电网供电方式的选择，根据煤矿电工手册应符合下列原则：（1）必须符合安全及防火规定；（2）到最远端灯具的电压损失值不应超过规定值；（3）供电形式灵活可靠；（4）供电器材省，电能损失小，节省投资和运营费用；（5）施工简朴，维护以便。基于这些原则，目前井下照明网络多采用放射式供电系统。 1.1 下井场的照明供电电源，一般来自中央变电所，向各工作处所的照明变压器供电，如下图所示：（图1-1）图1-1 井下照明供电。井的车场供电系统图中，1来自中央变电所低垂配电盘；2为防爆手动起动器；3为照明变压器；4为防爆插销；5为低压（127v）照明线。1.2 中央泵房的照明供电系统，供电方式同井低车场，供电系统如下图所示:（图1-2） 图1-2 井下照明供电。中央泵房供电系统1.3 工作面的照明电源来自移动变电站或采区变电所。已电缆送至距工作面大概30米处的顺槽配电点，以专用的照明变压器或与127v动力合用一台变压器向工作面照明电网供电。照明电网属于井下低压供电系统，根据煤炭工业部1980年颁布实行的煤矿安全规程规定：“井下照明，手持式电气设备，如煤电钻得额定电压和电话，信号装置的额定工作电压不得超过127v。”基于这些原则，井下照明由中央变电因此电缆送至各配电点，采用二次侧为127v的照明变压器单独向各照明网络供电，或者，在工作面也可与127v动力，如煤电钻等装置合用一台变压器供电。127v照明电网由于属低压供电，故电缆供电距离一般不超过300-500米，但是，随着日光灯的逐渐推广使用，供电长度已达1000米以上。这也对维护工作和电网的保护工作提示了新的更高的规定。照明电网的供电设备一般涉及照明变压器，照明灯具和照明电缆。由于规程的规定，井下照明网络必须采用的或与煤电钻共用的KSG型矿用隔爆型干式变压器，经井下中央变电所，采区变电站，移动变电站送来的380v,660v,1140v电压变成127v照明电压，照明灯具一般分为三类：矿用一般型；矿用安全型，矿用防报型（又分为防爆安全型KA和隔爆型KB灯具）。井下低压照明供电线路所有由电缆构成。照明电缆多采用橡套电缆，对固定设备，则采用铠装电缆。对于井下想到和井底车场控室等处的固定照明，普遍采用三芯低压铠装电缆，例如采用ZQ20-500-3*43*16油浸纸绝缘铜芯钢带铠装电缆作为照明用干线电缆，采用3*2.5三芯软电缆（其中一芯接地用）作为照明线路支线电缆。对与采掘工作面的移动照明，则采用UZ-500-4*44*6电钻电缆作为照明干线电缆等等。总之，照明设备的选择应根据具体状况而定，做到既安全可靠又经济合理。随着煤炭事业的发展，对于矿井照明的规定也在日益提高。采掘的机械化成都日益提高，随之而来的生产率提高，生产方式的远方监控，井下多种测试的不断增多和工业电视的广泛应用，都规定提高其安全可靠性。照明网络的保护也随之提出了更高的规定。如何提高保护的可靠性，研究出更为先进的综合性的保护装置，就成为摆在我们面前的一项重要任务。本设计将讨论的就是井下照明网络常用的漏电，断线故障并设计出综合的漏电，断线一体化保护装置。第二章 低压照明网络故障分析漏电和断线故障时井下照明电网中最常发生的故障。也是保护设备的重要防护对象。电网中一旦发生漏电，不仅会引起人身触电，导致人身伤亡，并且还也许导致瓦斯及煤尘的爆炸，甚至也许使电雷管提前引爆。此外，大量的漏电电流还也许使绝缘材料发热着火，导致火灾或其她更为严重的事故。我们在制定保护方案，研究保护装置前，应对这种故障起因和危害作进一步的分析和讨论。2.1 漏电的定义与起因漏电，使之在电力系统中，当某一部分带电导体对大地的绝缘阻抗下降到一定限度是，经该阻抗流入大地的电流增长到一定成度，足以威胁人身和设备安全，那么该导体就发生了漏电故障。也就是说，该供电系统发生了漏电事故。对于本设计来说，我们关怀得失井下照明电网的漏电故障。照明电网属井下低压电网，国内井下低压电网供电采用的式变压器中性点不接地系统，即变压器中性点对的绝缘。则其漏电的定义是：中型点绝缘系统中，发生单相漏电（涉及两相接地和通过渡阻抗接地）或两相，三相对地的总绝缘阻抗下降到位限制如下的电气故障。2.1.1漏电产生的因素低压供电系统发生漏电的因素大体有如下几方面：1)、电缆或电气设备自身的因素这重要是井下环境潮湿，电气设备运营近年，绝缘老化或潮气入侵，引起绝缘电阻下降。同步还存在由于偶尔侵入的过电压冲击使绝缘击穿，产生漏电。2)、施工安装不当引起漏电3）、管理维修不当引起漏电4)、因意外事故引起漏电总之，由于井下恶劣的生产环境，而低压电网有大多集中在工作人员和生产机械比较集中的地方。这些工作条件，使电气设备极易受损而发生漏电故障2.2、对漏电保护的规定漏电保护是井下三大保护之一，属于继电保护的范畴，应满足下列基本规定：2.2.1 全面性规定保护范畴应能覆盖整个供电单元，无动作死区；2.2.2 安全性规定安全性是从保护人身触电的规定出发，即必须满足30mA.s安秒值得规定。2.2.3 可靠性规定一是保护装置自身的可靠性，二是保护性能要可靠。2.2.4 选择性规定在供电系统中只切除故障不峰电源，减小停电范畴。目前国内井下广泛使用的低压供电系统有如下特点：以一台动力变压器为一种相对独立的供电系统供电。整个井下低压供电电网由多种相对地独立的小供电系统所构成，各小供电系统保持相对独立性。如意各照明网络既是由一台照明变压器和若干馈电开关，起动器，矿用电缆，照明灯具等用电设备构成，在低压范畴内，各供电单元间无任何电的联系。这种重要的特点就为供电单元的故障分析，保护装置的设立和运营管理等工作带来很大以便。在分析故障时，可不必顾及整个供电系统，而指针对一种供电单元，分析起来较为简便。而对漏电保护装置的设立而言，只要对一种供电单元能设立一种完善的保护系统，则整个井下低压电网的漏电保护都可据此解决。这事后来设计应注意的一种问题。此外，国内井下低压电网采用的是中型点绝缘系统，其最大的特点是比较安全，漏电电流小，但对保护装置敏捷度规定较高，在设计师应充足注意这一点。2.3 漏电故障的理论分析对漏电故障进行理论分析，是为了求出发生漏电时各相对的电压，入地电流，零序电流和中性点对地电压，的数学体现式。并讨论这些参数随电网参数，漏电限度的变化规律，以便找出合理的保护措施。对照明电网来说，多发生的是单相漏电，下面将采用对成分量法来讨论电网发生单相漏电是的变化状况，单相漏电时基本回路如下图所示：（图2-1） 图2-1 单相漏电基本计算回路由于三相电源中性点不接地，不管电网中发生何种漏电故障，电网的线电压是不变的，但是三相对称的。单相漏电属于不对称故障，故障发生后，电网各相对地电压就不再对称变压器中性点也要发生位移，产生对地电压，即零序电压，由零序电流通过。图2-1中，动力变压器二次侧中性点不接地，Rg为a相漏电的过渡电阻,ra=rb=rc为各相对地绝缘电阻。Ca=Cb=Cc为各相对地电容。G为故障点。发生单相漏电时，漏电电流从a相经Rg入地，经b.c两相对地阻抗流回电网，再经b.c线路和变压器绕组回到中性点。我们采用对称分量法进行分析。根据对称分量法，任意一组不对称的相量可以唯一地变换成三组对称向量：正序分量，负序分量和零序分量。根据这一理论，将故障处g处单相对地电压Uga和单相漏电电流Iga分解为三组对称向量，则有： （2-1）据此可画出a相各序的等值电路图如图2-1所示。（a）正序网络，（b）为负序网络，（c）为零序网络，g为故障点，g，n为各序的零电位点。由图可得a相各序电压的平衡关系为： （2-2）联立2-1，2-2式，再由式Uga=RgIga可得：因此，故障相漏电电流为：变压器中性点对的零序电压为： 故障相对地电压为对于井下照明电网，漏电回路中各元件总的正序阻抗和负序阻抗相似，z1=z2且远不不小于z0，故：1） 单相漏电时入地电流 （2-3）2） 单相漏电时零序电流(2-4)式中（忽视对地的电感）目前我们讨论一下人身触电似的状况：（1）不考虑电网对地的电容时：此时z0=r(单相对地绝缘电阻) = (人身电阻),因此人身触电时，人身触电电流为：（2）考虑电网对地电容时: =因此人身触电时人身触电电流为： (2-5)由式2-5可知，由于电网电容的存在，使人身触电的危险增长了，因此，需要对电容电流进行补偿。由于国内井下变压器中性点严禁接地，因此不能在变压器中性点接电抗线圈进行补偿，常用的措施是运用三个电抗器构成觉得中性点，在人为中性点与地间接入一种电抗线圈，运用电抗线圈中所产生的感性电流来对电网中的容性电流进行补偿，当所选的电抗器感抗与电网容抗相等时，即：时：电容电流被完全补偿，流过人身体的触电电流最小。通过这节的分析，我们对漏电的成因和性质有了一定的理解，可以据此来设计保护电路。第三章 几种井下照明网络短路保护方案分析作为井下三大保护之一，漏电保护通过近年的研究，已有了许多种可行的保护方案。下面简介并分析几种有效的保护方案，以供设计时参照。3.1 附加电源直流检测电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻的下降。这是漏电故障的最直接成果。显而易见，绝缘电阻的下降将使流经该电阻入地的漏电电流加大，如果能检测到这种电流的变化状况，就可根据此判断电网的漏电状况，附加电源直流检测式漏电保护正是基于这种理论而设立的，其电气原理如下图：（图3-1） 图3-1：附加电源直流检测式漏电保护原理图 图中，在三相电网中附加了一种独立的直流电源，使之作用于三相电网与大地之间。在三相对地的绝缘电阻上将有始终流电流通过，该电流的变化就直接反映了电网对地绝缘电阻的变化，因此，只要有效的监测和运用该电流，就可构成保护系统。图中为直流电源，Sk为三相电抗器，LK为零序电抗器，为旁路电容，ZJ为直流继电器，k为千欧表。直流电流Iz由电源正极流入大地，经对地绝缘电阻ra,rb,rc进入三相电网，再经SK，LK，K表，ZJ返回负极。对于直流回路来说，旁路电容和电网各相对地电容、相称于开路，这样，在直流回路中，直流电流Iz，既检测电流为： （3-1） 式3-1中，为三相电抗器每相线圈的直流电阻，对于直流回路来说，相称于三相并联，故为Rsk/3；为零序电抗器的直流电阻；为直流继电器ZJ的直流电阻；R为千欧表内阻；为系统接地电阻；为、并联后的总绝缘电阻，由于对于直流回路来说，相称于并联后接地： 即： 公式3-1中，如令： 忽视（一般2 ） 即令为定值，为定值，则流过直流继电器ZJ和千欧表中的直流电流将随的变化而变化。 下面讨论的变化状况：的变化将随绝缘限度的变化而变化，反映电网的绝缘水平。正常状况下，ra,rb,rc很大或为无限大，=或正常值，此时流经千欧表的电流很小，直流继电器中电流小到无法使线圈得电吸合，电网将正常运营。若发生单相漏电，如a相，设此时漏电电阻降为ra=r，则由于漏电电阻值相对绝缘电阻值很小，则 =ra=r若为量相漏电，暂且设ra=rb=r，则有 =r/2若发生三相漏电，则=r/3。而系统一旦投入运营，直流继电器的动作电流Idz将整定为定值，当下降到一定限度，到危险值时，即发生了漏电故障时，将增大，到了时，ZJ动作，其常开或常闭接点，将自动接通馈电开关的线圈，使自动馈电开关动作跳闸，切断电源，从而达到漏电保护的目的。在第二章的分析中，我们已经懂得了电网对地电容的影响。事实上，由于三相电网对地电容的存在由于三相电网交流电流的影响，将对直流检测回路产生不良效果，使动作只受到影响。应设法不让交流电流通过直流继电器。为此，保护电路中设立了隔直电容。的作用就在于，一方面，它的存在不会影响ZJ的正常工作；另一方面，联结在零序电抗器LK与大地之间，使电网在对地阻抗不平衡时引起的交流电流，即零序电通过C0构成的电网对地的交流通路旁路入地，避免通过直流继电器ZJ。但是，从电网运营的角度来看，由于对的电容的存在，使人身触电和单相接地的危险均有所增长（见第二章分析），设立则电容影响更大。我们但愿电容的作用完全消失，也就是说但愿电容电流能被完全补偿。为此，电路中设立零序电抗器LK，运用零序电流流过LK所产生的电感电流与电网对地电容电流相抵消，事故长出漏电电流或人身触电电流减少。将LK设计成一种可调的电感线圈，合适调节LK，就能补偿电容电流，消除电容电流的影响。在这种状况系阿，即不考虑电容电流影响的条件下，我们就可以进行动作值的整定了。作为直流检测型漏电保护装置，它的动作值应能直接反映电网对地的绝缘状态，因此不能以直流继电器的动作电流整定值为动作值。而必须觉得整定值，一定要满足式人身触电电流30mA的条件。在前面的分析中，我们已经懂得，人身发生触电时，以单相触电为最常用，而人身触及三相电网中一相时的等效电路如下图所示：（图3-2） 图3-2 人身触电（单相）等值电路 因此 获得有效值为： 在电容被补偿后，不考虑电容效应，则C=0时，有：=/(+r/3) (式3-3)对照明电网 =127/=73.3v代入人身电阻=1k, =30mA，得： 这阐明，对于127v照明电网，各相对地的实际绝缘水平必须保持在4.3k以上。入地狱辞职，则发生人身触电时就十分危险。据此可以决定发生单相漏电时保护装置动作电阻的整定值，即： 前面已经说过，电容的影响已被LK所补偿，而交流电流的影响又由于隔直电容的影响而被消除，故保护回路可不考虑交流因素，当作是直流回路。对于直流回路来说，三相电网对地的绝缘电阻是并联的，因此，低压电网的单相，两相和三相漏电动作值应为1：2：3的关系即： 本设计基于这种原则，在后来保护电路中规定漏电跳闸动作整定值为单相漏电时临界电阻 2.5k诸多检漏继电器都是采用直流检测式：如国产JY82型，JL80型，JL82型等。这种保护方式的长处在于：（1）保护全面，能覆盖整个供电单元，且动作无死区；（2）有电容电流补偿，漏电电流、人身触电电流较小；（3）保护装置独立设立；（4）动作值整定简朴，能直接反映电网对地绝缘状况。这种保护方式也有其缺陷：（1）保护无选择性；（2）电容电流补偿是静态补偿，不能睡电网具体状况的变化而自动调节；（3）保护装置动作时间较长。3.2 其她的漏电保护方式3.2.1、三相半波整流直流检测式附加电源直流检测式漏电保护由于其电容电流的补偿是静态补偿，电感电抗值调定后来就不能随电网对地电容的变化而自动变化，因而不能保证在整个运营过程中都能达到最佳补偿的状态，从而减少了保护的安全性。此外，如果在运营过程中浮现严重的过补偿，也并不安全。这些现象的存在都是由于电网对地电容的存在，是三相电网交流成分不能完全消除。这就需要考虑一种全新的保护措施来弥补附加电源直流检测式保护的局限性。三相半波整流直流检测式漏电保护就是运用三个整流二极管将三相电网的交流电流变为可检测的直流电流而构成保护。二极管的存在消除了电容的影响，其原理电路如后图3-3所示。 图3-3 三相半波整流直流检测式漏电保护图3-3中，三个整流管 分别接到电网的a,b,c三相，另一端接在一起，成星形连接，构成人为中性点，经检测电阻RL或经直流继电器接地。由于变压器的中性点绝缘，因此经三个整流管整流后来的直流电流，经检测电阻到地，再经对地绝缘电阻ra,rb,rc后返回电网对地的绝缘状况，同附加电源直流检测式相比，省去了附加直流电源，二极管整流后检测和运用该直流电流，即可构成直流检测式保护系统。三相电网电压波形和整流后各相电压波形如下图（3-4）所示。以a相为例，时，a相电压总是高于b,c两相电压，a相整流管导通，而b,c两相则在反向电压作用下使、处在截止状态。在整个周期里，三个二极管依次导通。现以a相为例，研究其电压的变化。 图3-4 三相半波整流直流检测式漏电保护电网及各相电压波形图在范畴内，a相导通，电流经a相，大地，rarb后电阻回到电网，此时，虽然b,c两相对地绝缘电阻相等，但电流瞬时值不同，为求得该电流的平均值，先规定出各相平均电压：a相平均电压： b 、c相平均电压为： (3-4)对于127v电网， =127v则负载RL（检测电阻）上的平均电流： (3-5)这与附加直流电源检测式漏电保护的原理公式类似，（参见式3-3）。随着绝缘电阻的减少，别便不断增长，当其数值达到动作值时，漏电保护装置动作达到保护目的。这种保护方式构成的漏电保护装置构造简便，由于直接将电网电流变成直流加以检测，就省去了直流附加电源，而获得了与直流检测式相似的保护特性。此外，由于它具有较高的直流电压，因此可以比较精确真实地反映电网的绝缘水平。这种保护方式的重要缺陷在于动作值受电源电压波动的影响较大，同步对整流管的反向电压规定较高。因此，它一般用于电压较低的地方，如127v网络。3.3 断线故障的分析和保护 断线故障时井下另一种常用故障。由于井下环境恶劣，工作场地狭窄，供电电缆被砸断，扯断，脱空的现象常有发生。而人们往往对断线故障不够注重。由于当电网中某处发生单相，两相甚至三相全断故障时，断线处前部分的灯仍然亮着，故而不太引起人们的注意。但是，断线处无人注意，带电的断头裸露在巷道中，导致了严重的事故隐患。因此，我们很有必要对断线故障作分析讨论，并研究其保护措施。目前，断线故障尚未能引起应有的注重，诸多供电系统没有设立断线保护，独立的断线保护系统尚未有较系统地研究。而事实上，断线保护没有必要单独设立，它可以与漏电保护综合在同一装置中。断线故障时至三相电网中发生一相，两相或三相线路中断的故障。发生断线时，线路中的电压，电流将发生变化。本设计要将漏电，断线保护结合在一起，因此，我们来讨论一下漏电保护电路中当电网发生断线时检测电流和检测电压的变化，研究一下如何在实验漏电保护的同步能实现对断线故障的保护。 看一下，图3-1直流检测式保护电路，由式3-1，3-2，我们懂得检测电流为： 发生单相断线时，如ra=，rb=rc=r，则：=r/2 发生两相断线时，ra=rb=,rc=r,则： =r 发生三相断线时：=； 而正常时： =r/3 也就是说，发生断线时将增大。事实上，绝缘电阻r值是很大的，一次往往检测不出来。我们常用三个电阻构成人为的中性点接地系统，如图3-5所示， 图3-5 人为中性点接地这样，发生断线时，的变化就可以引起较明显的检测信号的变化而达到检测目的。运用三相半波整流构成的直流检测式断线保护回路如下图3-6所示。井D1D3整流后，上的检测电压=加在运放下的反相输入端，运放的同相输入端接一种正的参照电位。构成一种比例放大电路。调节的阻值，是正常时=，则有： （-）/=（-）/ 即： =/-（-）/= 图3-6 断线保护电路 而断线时，则值增大，达到一定限度时，直流继电器ZJ吸合，其常开或常闭触点断开主回路，是系统断电，停止运营，从而达到保护的目的。该保护电路可加在漏电保护回路中与之构成综合的漏电-断线一体化保护电路。第四章 漏电、断线保护一体化电路设计4.1 设计思路通过前面几章的讨论与分析，我们已经懂得了几种漏电，断线保护措施。而在生产实际中需要的是具有多种保护功能的综合性的保护装置。本设计的任务是将漏电保护和断线保护结合在一起，构成综合的漏电，断线保护一体化电路。 前面对漏电的讨论，当系统发生漏电故障（对照明电网，多为单相漏电）时，对地绝缘电阻上的电流将发生变化，如某点处电压的升（降），将此电压引到一种比较电路，使之与基准电压，及绝缘电阻下降到危险值如下时相应的电压相比较，当电压变化到高（低）与基准值时，使相应的继电器动作跳闸，达到保护目的。当电路中发生断线故障，检测电压也将发生变化，很明显，断线时检测电压的变化与漏电时正好相反。这就需要设计一种综合的电压取样电路，使之能兼顾反映两种变化。电路的设计既要能使保护装置对两种故障都能保护，又要能使操作人员能直观的，迅速地做出判断。背面的设计就是要体现这种设计思想。下面具体简介电路的构成，性能和原理。4.2 电路及原理分析4.2.1 性能简介根据设计思想，我们先要画出保护电路原理框图，以便后来为指引设计各部分电路。设计原理框图如下：（图4-1） 图4-1 设计原理图由原理框图可知，本电路保护回路部分有批示回路，稳压电源，综合取样电路，鉴别电路，终端电路，执行电路等几部分构成。综合取样电路和鉴别电路兼顾漏电保护和断线保护，使之一体化。1、 供电性能供电电压为井下照明电网低压127v三相；照明变压器2.5kvA,4kvA通用。2、 求达到的保护性能a) 送电前的漏电闭锁漏电闭锁是在低压网络中，对电动机，照明网络及其供电电缆的绝缘水平进行合闸前的监视。漏电闭锁保护能使有故障的供电回路不投入工作。根据煤矿安全规程（1980年）规定：“井下低压电网应装设带有漏电闭锁的检漏保护装置或有选择性的检漏保护装置。”根据这项规定，本设计带由漏电闭锁能力。动作整定值为：Rg5 k。b) 送电后的漏电跳闸动作整定值为：Rg5 k。c) 对于断线故障，同样规定在送电前有断线闭锁功能，送电后有断线跳闸功能。d) 对于负荷侧任意出发生漏电故障或断线故障，保护电路均能反映并可靠地动作。 3、本设计为了提高可靠性和实用性，在电路中采用了电压跟随电路。由于在实际运营中有供电电压和系统电压的波动。本设计照明网络首 端的供电电压容许有10%额定电压的波动。同步规定照明网络末端电压不应低于50%额定电压。4.2.2 保护原理 本设计的漏电保护采用老式的三相半波整流直流检测式保护方式。综合取样电路采用三个二极管对地构成直流检测环节，通过取样电压的变化来反映漏电，断线故障的发生。故障信号送鉴别回路。故障鉴别回路运用集成运算放大器构成电压比较器电路，通过取样电压与基准电压比较来控制保护元件（继电器）的动作。同步运用555定期器电路完毕动作的自锁，以保证可靠动作。多种故障信号由取样电路送至鉴别回路后，经确认后，继电器得电，其常闭接点打开，从而断开交流接触器CJ电磁线圈的电源，CJ断点跳闸，从而实现保护。同步相应批示灯亮，批示回路应能互锁，以便于对的批示何种故障发生，给维修工作带来以便。 运用终端电路，使得不管网络何处发生断线，漏电，保护回路均能作出反映并动作。稳压电源采用三端集成稳压器，输出+15v直流电压，供整个保护装置电子线路用。为了提高保护性能，增长保护动作的可靠性，在电路中特增置了漏电信号跟随电路，使供电电压在波动10%额定电压的状况下，仍可以可靠地动作。 4.2.3 各部分电路简介与原理分析整个保护电路是有主控电回路，控制回路和保护回路三个大部分构成。下分别简介：1、主回路主回路由隔离开关1k，一次熔断器1RD，2RD，主变压器ZB，二次熔断器3RD，4RD，交流接触器CJ常开接点CJ13等元件构成。完毕整个照明网络和保护系统的供，停电功能。如下图所示：（图4-2） 图4-2 主供电回路主变压器ZB选择：660（380）/127v,Y,/Y接 2.5kvA,4kvA通用a、熔断器选择：查煤矿电工手册第5册中有关低压熔断器选择的规定，根据着名变压器一次侧额定电流选择一次熔断器1RD，2RD额定电流为=15A所配装熔体的额定电流由下式拟定：=对于380/127v照明变压器： KTr=2.99 故：因此：1RD，2RD选用RL1-15型螺旋式熔断器，额定电压500v，所装熔体额定电流6A。同理可得到二次熔断器3RD，4RD参数为：选用RM10-60型封闭管式熔断器，额定电压250V，额定电流60A，所装熔体额定电流15A。b、交流接触器CJ选用：CJ10-20交流接触器，额定电压127V，额定电流20A，隔离开关1K选用：HZ-10/E 160TH组合开关。2、 控制回路 控制回路由交流接触器线圈CJ，送电按钮QA，停电按钮TA，直流继电器常闭接点1，交流接触器常开接点，熔断器RD等元件构成，是保护电路作用于主回路的具体的执行电路。用来控制系统的正常送电和故障停电，控制回路如下图所示：（图4-3）装置通入运营时，一方面闭合1K，使ZB，KB（控制变压器，见后文“保护回路”）有电工作。当127V网络，即负荷侧无端障时，按压送电按钮QA，则常开接点闭合，回路接通，CJ得电，此时闭合，为常闭接点；从而使回路实现自保。同步，主回路中闭合，负荷侧得电，系统开始运营。在保护回路中的CJ各接点也动作，闭合，打开（见后文“保护回路”），完毕保护回路中有关电路及元件的转换。 图4-3 控制回路需要停电时，只要按动停止按钮TA，则其常闭接点断开，CJ失电，断开，主回路中接点断开，从而使负荷侧端点，停止运营。按钮TA还可作为实验按钮，用来调试。 当电网中发生漏电，断线故障时，有保护回路作用于直流继电器1J（见后文“保护回路”所述），是1J得电，从而其常闭接点1断开，CJ失电跳闸，断开，负荷侧失电，实现了保护功能。 A、直流继电器1J选用： JT3-22小型通用继电器（JTX均可） 其参数为：吸引线圈电压为：DC12V，额定电流75mA B、起动，停止按钮TA，QA选用：LA18-22型按钮 C、为保护接触器CJ，熔断器RD选用：BL*5*30/2A 玻璃管熔断器3、保护回路 保护回路是本设计的主体部分。重要是由稳压电源、批示回路、终端电路、执行元件、综合取样电路、鉴别电路等几部分构成。构成漏电、断线一体化保护电路。能具体完毕对两种故障的辨认和及时动作。并能通过相应的批示电路对故障加以对的的批示确认，下面分别简介各部分电路：a. 稳压电源（图4-4） 图4-4 直流稳压电源电路稳压电源由控制变压器KB，二极管单相整流桥，滤波电容，和三端集成稳压管W构成单相桥式整流，电容滤波电路，为保护回路中线性集成电路等元件提供+15V直流电源。1）电源变压器KB选择：127V/19V 单相变压器若自制则：一次绕组2500N，0.35(内层) 二次绕组375N，0。35（外层）2）稳压管选用：三段式正集成稳压管SW7818C SW7818C集成三端稳压管具有如下几种特点：(1)输出电流大，可达1.5A；(2)输出电压可达+15+18V；(3)设有温度超载保护；(4)设有电流短路保护；(5)设有输出晶体管保护。因此，具有较高的稳定性和可靠性，其外形如下图：（图4-5） 图4-5 SW7818C外观图(6)二极管选用IN4004(7)稳压电源输出参数：经整流，滤波后，W1端输出电压 取为=21.5V 经稳压管W稳压后，2端输出电压：=+15V为减小纹波成分，滤波电容应选大某些，故选：=220/50V 电解电容。旁路电容可选为：=4.7/25V电解电容.b. 终端电路 本设计实现保护功能，即不管负荷侧任意出发生漏电，断线故障，保护装置均能动作，所采用的一种重要措施是设立了一种终端电路。终端电路设立在照明网络的终端部分，如下图所示：（图4-6） 图4-6 终端电路 终端电路是由，从三相电网引出后接接地，四个电阻一起构成人为的中性点接阻抗接地系统，Rg为线路对地绝缘电阻。两者有共同的接地端Jdi。线路送电前漏电闭锁临界为Rg5K；送电后漏电跳闸临界值为Rg2.5 K。 终端部分通过接地电阻与保护回路连通，从而使保护回路和三相电网形成通路。不管送电前后，检测电流都要通过综合取样电路，Jdi，终端电路到三相电网构成回路，因此，终端电路作用十分重要。取：=24 K 取=10 Kc. 批示回路批示回路如图所示：（图4-7） 图4-7 批示回路 由发光二极管，和，等元件构成。图中1端接漏电回路鉴别输出端，正常时为高电位。2端接断线鉴别回路的输出端，正常时为高电位。为黄灯，批示断电故障。当漏电鉴别回路确认漏电故障发生时，其输出端输出低电位，1端由高电位变为低电位，导通发光，批示漏电。 为红灯，批示断线故障，有断线鉴别回路控制，断线时，2端为低电位，导通发光，批示断线。 为绿灯，是电源批示灯，正常时将始终亮着。故障跳闸或供电回路不通时灭加以批示。 为保护回路，跟流电阻可选为：=2 K，=10 Kd. 执行电路 电路是保护回路中的最后执行元件，如图：（图4-8）所示，由直流继电器线圈1J，电阻R，二极管，构成。 图4-8 执行回路 1端接漏电鉴别回路输出端，正常时为高电位。 2端接断线鉴别回路输出端，正常时为低电位。 当发生漏电或断线故障时，1端（或2端）输入由高电位变为低电位，二极管（或）由截止变为导通，从而使1J线圈得电，其在控制回路中的常闭接点1断开，断开供电回路，起到保护作用。e. 综合取样电路 系统发生漏电、断线故障时，电路中电压、电流会发生变化，将这种变化转变成可测量，可比较的信号，这就是综合取样的功能。考虑到设计规定漏电，断线保护要综合在一起，并且要兼顾送电前的漏电、断线闭锁和送电后的漏电、断线跳闸功能，综合取样电路如下图所示：（图4-9）图4-9所示为I号信号取样回路，即送电前发生漏电、断线故障时使电路闭锁的信号检测回路。送点前，按下K1，则KB得电，由于未闭合，负荷侧还没送上电，QA不闭合，CJ无电。回路的电源来自稳压管W输出的+15V直流电压。经二极管，交流接触器常闭接点到与终端电路相连，经三相电网接、再经、达到0V点。检测信号为电压，检测信号在+上取样，即+上的电压。 图4-9 综合取样信号回路，I号回路在送电前，如果电路中发生了漏电，其绝缘电阻值下降=5 k如下时，回路中总电阻由于的并入而减小，从而使+上的取样电压信号增大，漏电取样信号通过1短接漏电鉴别回路输入端。 如果在送电前电路中发生断线，则总电阻增大，从而使+上的取样电压信号减小。断线取样信号通过2端接断线鉴别回路输入端。 鉴别回路根据1端和2端输入状况判断与否进前送点钱的漏电或断线闭锁。 送电后，取样回路自动转为号信号回路。（图4-10）图4-10所示为号信号取样回路，即负荷送电后漏电、断线故障发生使式交流接触器动作跳闸的信号检测回路。送电后，按压，则闭合，CJ得电，闭合，负荷开始运营。此时I号回路中打开，断开I号回路，转入号回路。号回路电源时三相电网半波整流后的直流电压，其值为： 图4-10 综合取样信号回路，II号回路回路经取样电阻（+）（+）到0V点，再经、后到端，与终端电路相连，经三相电网再经、回到取样点。送电后，闭合，检测信号变为（+）（+）上的电压。 送电后，如果在系统中发生了漏电故障，其漏电电阻值下降到2.5k后，回路总电阻由于并入而减小，从而使取样电阻上取样信号电压增大。断线故障时取样信号电压减小。取样信号仍是通过1端接漏电鉴别回路输入端，通过2端接断线鉴别输入端。 送电后，由于I号回路被断开转入号回路后，直流电压为+85.8V，远高于I号回路中的+15V，如果取样电阻还保持+，那么取样信号电压将很大。为此，此处将取样电阻变为+与+相并联。此外，在发生漏电故障时，回路的电流将很大，也会使取样信号产生很大波动，还会使动作值分散。为了时取样信号保持送电前后的稳定性，在号回路中传入了一种限流电阻。 综合取样电路使漏电和断线故障信号取样在同一电路中实现，并通过I号回路的自动转换实现了送电前后闭锁供电与跳闸断电的辨别。合适选择鉴别回路的给定电压值，就可以实现漏电保护和断线保护的辨别。合理的选择电路的参数，以保证送电前后取样信号不致有太大波动而导致动作值的分散。参数的选择和计算详见第二节“参数选择与计算”。f. 鉴别回路 鉴别回路的作用在于对取样信号加以鉴别确认，即将取样信号电压与基准电压相比较，以确认系统中与否发生了漏电或断线故障。基准电压就是系统发生漏电或断线故障时取样电压值。鉴别回路的另一种作用是输出信号，控制执行元件在发生故障是能跳闸动作，或闭锁。鉴别回路如图4-11所示：(图4-11) 图4-11 综合鉴别回路 图4-11中，鉴别回路重要是由两个555定期器和两个集成运算放大器，构成。 鉴别回路共有两个输入端1和2端。1端接综合取样回路1端，及漏电信号输入端。2端接综合取样回路2端，及断线信号输入端。此外尚有四个输出端3、4、5和6端。3端接漏电批示灯，4端接执行元件1J线圈。 当发生漏电时，不管送电前后，3端输出低电位，使导通发光，批示漏电；同步1J得电时CJ跳闸断电。 5端接断线批示灯，6端接1J线圈。同理，断线时亮，1J动作跳闸。 所谓鉴别，其实质就是运用运算放大器构成一种电压比较器。电压比较器基本电路与基本特性如下图所示：（图4-12） 图4-12 电压比较器电路与特性 以正电位比较器为例。参照电位加于运放的反向输入端，输入信号加在运放的正相输入端。此时，运放处在开环工作状态，具有很高的开环电压增益，输出特性如图4-12。时，运放处在负饱和状态。运放输出为负限幅值，即为低电位，也可以说是数字量“0”。=时，输出电压发生跃变，运放转入正饱和状态，输出电位由低电位“0”转为高电位“1”。 如果将比较器的输入端接反相输入端，参照电位接正相输入端，则可得到另一种特性。这样就可以运用电压比较器来判断电路中与否发生了故障。在鉴别回路中运用正电压比较器来判断与否发生漏电，运用负电压比较器来判断与否发生断线，由于取样信号来自同一取样点，而漏电、断线取样信号电压的变化又刚好相反，因此需要运用两个比较器。以漏电鉴别为例，如图4-13所示。 图4-13 漏电鉴别回路取样信号加在的正向端，参照电位加在反向输入端。参照电位的拟定：送电前，闭合，+15V直流电压加在反向端。在A点，虽然+21.5V也通过加在A点，但被箝制在+15V，因此，不起作用。参照电位为上电位。上的电压值由，阻值决定，由漏电闭锁动作值决定。送电后，断开，由于C的隔直作用。参照电位由端输出电压+21.5V决定。送电后，B点由于电容C的放电作用而逐渐变为新的参照电位，这样可以避免电压的突变。送电前后参照电源选不同值的目的在于避免由于电网电压波动而引起参照电压的波动，其电压跟随作用。送电后，如果参照点为仍以从+15V回路取值，那么当电网电压发生波动时，例如电压升高，漏电取样信号将随之升高，而不再是本来的参照电位，这样将引起执行电路的误动，而电网电压减少时，漏电取样信号将随之减少，这样有将引起执行回路的拒动。为此，送电后，断开+15V回路，该为W1端+21.5V取值。W1端的电压会随电网电压的波动而作相应的变化，这样就可避免误动或拒动状况的浮现。当取样信号电压低于参照电位时，输出低电位，经反相后变为高电位输出，漏电批示与执行元件均不动作。漏电发生时，高于参照电位，输出高电位，输出低电位，漏电批示灯亮，执行元件1J动作。对断线鉴别回路，原理相似。参照电位的选用和电路参数的选择见第二节。但是，仅仅运用电压比较器来构成鉴别回路是不够的。如果以的输出端去控制批示回路和执行回路，有时会在有事故隐患的状况下发生误送电。以漏电为例，在电路中如果发生了漏电故障，的输出端由低电位变为高电位，以这个电位去控制批示灯亮，1J得电动作。那么，如果由于意外事故而使取样信号电压减小，低于参照电位时，会立即翻转，输出低电位，从而使批示灯灭，1J断电。这时如果按压QA，控制回路中CJ得电，主回路就会在有漏电事故隐患存在的状况下，送电运营，这样就会在运营过程中有触电的危险。因此，我们需要采用一种能自锁的电路。也就是说，当系统发生故障使输出变为高（或低）电位后，电路可以自锁，不管线路中再有什么变化，都能保持输出不变。为此，设计中采用555定期器电路构成自锁装置。我们采用国产5G1555集成时基电路，先来理解一下5G1555的内部构造与输入输出特性。5G1555的外观封装采用双列直插式塑料封装，其外观和管脚排列如图4-14所示：（图4-14） 5G1555的内部构造框图如下：（图4-15） 图4-15 5G1555 方框图从图中可看出，5G1555定期器电路涉及两个高精度电压比较器，一种有三只电阻R构成的分压器，一种RS双稳态触发器，一种放电晶体管和一种功率输出级。比较器I的反相输入端电位固定为2/3；比较器的同相输入端电位固定为1/3。各管脚功能为：脚1为接地端；脚2为触发输入端；脚3为输出端；脚4为复位端；脚5为