摘 要：文章指出了原煤電鉆綜合保護裝置存在的短路保護動作時間長的問題，分析了產(chǎn)生該問題的原因，并提出了改進措施，使改進后的新型煤電鉆綜合保護裝置的短路保護動作時間大大縮短，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品短路保護動作時間長的問題，并能有效的防止意外事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；煤電鉆；綜合保護裝置
1 問題的提出
　　煤電鉆是煤礦井下采掘工作面的主要生產(chǎn)沒備，煤電鉆綜合保護裝置性能的好壞直接影響著煤礦安全生產(chǎn)順利進行，煤礦井下安全生產(chǎn)要求：當煤電鉆系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，其綜合保護裝置能快速動作切斷電源，防止意外事故發(fā)生。原有煤電鉆綜合保護裝置的保護執(zhí)行回路采用中間繼電器控制執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)采用接觸器，其主電路原理圖如圖1所示。受機電時間常數(shù)的制約，原有煤電鉆綜合保護裝置短路動作時間長（達100ms），已不能滿足現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的要求。為有效的防止短路故障可能引發(fā)的事故，就必須縮短短路保護動作時問。

　　新型固態(tài)繼電器是以電力電子器件構(gòu)成的電力電子開關(guān)，屬無觸點通斷組件，具有開關(guān)速度快、操作方便、無火花及拉弧現(xiàn)象等特點，適合在頻繁工作或潮濕、有腐蝕性氣體以及易燃氣體的環(huán)境中。而煤礦井下含有大量的瓦斯、煤塵等易燃易爆物質(zhì)，使用由全控型電力電子器件構(gòu)成的新型直流固態(tài)繼電器和以雙向晶閘管為核心的交流固態(tài)繼電器作為執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用到煤電鉆綜合保護裝置中，代替原有的中間繼電器和交流接觸器，便能解決現(xiàn)有產(chǎn)品短路保護動作時間長的問題。
2 新型固態(tài)繼電器在煤電鉆綜合保護裝置中的應(yīng)用
2．1 新型煤電鉆綜合保護裝置
　　常見的半導(dǎo)體中性點開關(guān)均采用普通晶閘管或晶體管、整流器件構(gòu)成，壓降大，功耗大。并且由于電路拓撲結(jié)構(gòu)及器件性能的影響，導(dǎo)致半導(dǎo)體中性點開關(guān)的關(guān)斷時間過長，因此，不能滿足快速關(guān)斷要求或引起電感過電壓（電壓上升率），造成中性點開關(guān)失控現(xiàn)象。采用由全控型器件組成的新型半導(dǎo)體中性點開關(guān)便可解決上述問題。利用由電力電子器件構(gòu)成的半導(dǎo)體中性點開關(guān)將變壓器二次繞組接成Y點（Y接），當出現(xiàn)短路故障時，半導(dǎo)體中性點開關(guān)利用電力半導(dǎo)體器件將變壓器二次繞組Y點快速斷開，即快速切斷電源，從而縮短保護動作時間。
　　改進后的新型煤電鉆綜合保護裝置主電路如圖2所示，該主電路主要由隔離開關(guān)QS1，操作手柄開關(guān)QS2，做短路后備保護的一、二次側(cè)熔斷器FU1、FU2，主變壓器TM，由直流固態(tài)繼電器組成的新型半導(dǎo)體中性點開關(guān)，交流固態(tài)繼電器和起過載保護作用的熱繼電器組成。其執(zhí)行機構(gòu)采用改進型的快速斷電技術(shù)（直流固態(tài)繼電器）和無觸點開關(guān)（交流固態(tài)繼電器）控制執(zhí)行。

　　由絕緣柵雙極晶體管IGBT器件構(gòu)成的新型半導(dǎo)體中性點開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單，關(guān)斷能力強，開關(guān)壓降、功率低，管子或模塊容量大的特點，將新型半導(dǎo)體中性點開關(guān)技術(shù)與故障電信號快速檢測技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到煤電鉆綜合保護裝置中，將大大縮短短路動作時間（從接收到短路信號到完全斷開所需時間約41ms），提高我國煤礦安全技術(shù)水平。
2．2 半導(dǎo)體中性點開關(guān)的基本組成
　　由新型直流固態(tài)繼電器組成的半導(dǎo)體中性點開關(guān)的基本組成如圖3所示，它包括三相不控整流橋、由IGBT器件構(gòu)成的直流固態(tài)繼電器及過電壓吸收裝置三部分。由于直流固態(tài)繼電器的斷開速度非常快（1ms左右），使得感性負載回路瞬間產(chǎn)生很高的反電壓（千伏級），快速斷電產(chǎn)生的過電壓由阻容吸收裝置RC及壓敏電阻RP吸收，并將其限制在470V以內(nèi)，保證直流固態(tài)繼電器不被擊穿。

　　將新型直流固態(tài)繼電器應(yīng)用到煤綜保中之后，其工作原理如下：合上電源隔離開關(guān)QS ，接通電源，給直流固態(tài)繼電器加上控制信號使之導(dǎo)通，變壓器二次側(cè)接成Y點；
　　合上負載側(cè)隔離開關(guān)Qs ，然后觸發(fā)交流固態(tài)繼電器使之導(dǎo)通，電動機接通電源，煤電鉆開始工作。當檢測回路檢測到故障信號時，發(fā)出指令，切斷直流固態(tài)繼電器的控制信號，直流固態(tài)繼電器關(guān)斷，使得主變壓器二次側(cè)中性點斷開，從而斷開主回路電源，快速實現(xiàn)保護。
2．3 煤電鉆綜合保護裝置中直流固態(tài)繼電器參數(shù)的選擇
　　設(shè)電路正常工作時，某一瞬間的等效電路如圖4所示。則電路正常工作時，直流固態(tài)繼電器和三相橋中每個整流管所承受的最高電壓（考慮2～3倍余量）。對于4kW的煤電鉆，其額定電流，則流過負載的最大電流Im=In=×21．4=30A，由于直流固態(tài)繼電器用在三相橋式整流的直流側(cè)，且其承受過電流的能力很弱，所以考慮4～5倍余量來選擇直流固態(tài)繼電器的額定電流，即I=（4～5）Im=（4～5）×30=120～150A。所以，采用IGBT模塊構(gòu)成的直流固態(tài)繼電器，其工作電壓選為400V，工作電流120A，通態(tài)壓降≤1．5V。

2．4 改進后的效果
　　采用交流固態(tài)繼電器代替交流接觸器，并采用新型固態(tài)繼電器器件代替可控硅對半導(dǎo)體中性點開關(guān)進行技術(shù)改造，改造后的快速斷電中性點開關(guān)關(guān)斷時間可達到0．3ms。并將之應(yīng)用到新型煤電鉆綜合保護裝置中，使新型煤電鉆綜合保護裝置的短路保護動作時間大大縮短（最長為41ms，最短可達13ms），可解決現(xiàn)有產(chǎn)品短路保護動作時間長的問題，有效的防止意外事故的發(fā)生。
3 結(jié)語
　　實踐證明，新型固態(tài)繼電器應(yīng)用在煤電鉆綜合保護裝置中，采用圖2所示主電路和上述器件，與原固態(tài)繼電器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，關(guān)斷能力強，開關(guān)壓降、功耗低，管子或模塊容量大、價格低等特點，與故障電信號快速檢測技術(shù)相結(jié)合，完全滿足煤礦井下安全生產(chǎn)的需要。斷開，從而斷開主回路電源，快速實現(xiàn)保護。