新型固态继电器在煤电钻综合保护装置中的应用

1 问题的提出
　　煤电钻是煤矿井下采掘工作面的主要生产没备，煤电钻综合保护装置性能的好坏直接影响着煤矿安全生产顺利进行，煤矿井下安全生产要求：当煤电钻系统出现短路故障时，其综合保护装置能快速动作切断电源，防止意外事故发生。原有煤电钻综合保护装置的保护执行回路采用中间继电器控制执行机构，执行机构采用接触器，其主电路原理图如图1所示。受机电时间常数的制约，原有煤电钻综合保护装置短路动作时间长（达100ms），已不能满足现代化矿井安全生产的要求。为有效的防止短路故障可能引发的事故，就必须缩短短路保护动作时问。

　　新型固态继电器是以电力电子器件构成的电力电子开关，属无触点通断组件，具有开关速度快、操作方便、无火花及拉弧现象等特点，适合在频繁工作或潮湿、有腐蚀性气体以及易燃气体的环境中。而煤矿井下含有大量的瓦斯、煤尘等易燃易爆物质，使用由全控型电力电子器件构成的新型直流固态继电器和以双向晶闸管为核心的交流固态继电器作为执行机构应用到煤电钻综合保护装置中，代替原有的中间继电器和交流接触器，便能解决现有产品短路保护动作时间长的问题。
2 新型固态继电器在煤电钻综合保护装置中的应用
2．1 新型煤电钻综合保护装置
　　常见的半导体中性点开关均采用普通晶闸管或晶体管、整流器件构成，压降大，功耗大。并且由于电路拓扑结构及器件性能的影响，导致半导体中性点开关的关断时间过长，因此，不能满足快速关断要求或引起电感过电压（电压上升率），造成中性点开关失控现象。采用由全控型器件组成的新型半导体中性点开关便可解决上述问题。利用由电力电子器件构成的半导体中性点开关将变压器二次绕组接成Y点（Y接），当出现短路故障时，半导体中性点开关利用电力半导体器件将变压器二次绕组Y点快速断开，即快速切断电源，从而缩短保护动作时间。
　　改进后的新型煤电钻综合保护装置主电路如图2所示，该主电路主要由隔离开关QS1，操作手柄开关QS2，做短路后备保护的一、二次侧熔断器FU1、FU2，主变压器TM，由直流固态继电器组成的新型半导体中性点开关，交流固态继电器和起过载保护作用的热继电器组成。其执行机构采用改进型的快速断电技术（直流固态继电器）和无触点开关（交流固态继电器）控制执行。

　　由绝缘栅双极晶体管IGBT器件构成的新型半导体中性点开关具有结构简单，关断能力强，开关压降、功率低，管子或模块容量大的特点，将新型半导体中性点开关技术与故障电信号快速检测技术相结合，应用到煤电钻综合保护装置中，将大大缩短短路动作时间（从接收到短路信号到完全断开所需时间约41ms），提高我国煤矿安全技术水平。
2．2 半导体中性点开关的基本组成
　　由新型直流固态继电器组成的半导体中性点开关的基本组成如图3所示，它包括三相不控整流桥、由IGBT器件构成的直流固态继电器及过电压吸收装置三部分。由于直流固态继电器的断开速度非常快（1ms左右），使得感性负载回路瞬间产生很高的反电压（千伏级），快速断电产生的过电压由阻容吸收装置RC及压敏电阻RP吸收，并将其限制在470V以内，保证直流固态继电器不被击穿。

　　将新型直流固态继电器应用到煤综保中之后，其工作原理如下：合上电源隔离开关QS ，接通电源，给直流固态继电器加上控制信号使之导通，变压器二次侧接成Y点；
　　合上负载侧隔离开关Qs ，然后触发交流固态继电器使之导通，电动机接通电源，煤电钻开始工作。当检测回路检测到故障信号时，发出指令，切断直流固态继电器的控制信号，直流固态继电器关断，使得主变压器二次侧中性点断开，从而断开主回路电源，快速实现保护。
2．3 煤电钻综合保护装置中直流固态继电器参数的选择
　　设电路正常工作时，某一瞬间的等效电路如图4所示。则电路正常工作时，直流固态继电器和三相桥中每个整流管所承受的最高电压（考虑2～3倍余量）。对于4kW的煤电钻，其额定电流，则流过负载的最大电流Im=In=×21．4=30A，由于直流固态继电器用在三相桥式整流的直流侧，且其承受过电流的能力很弱，所以考虑4～5倍余量来选择直流固态继电器的额定电流，即I=（4～5）Im=（4～5）×30=120～150A。所以，采用IGBT模块构成的直流固态继电器，其工作电压选为400V，工作电流120A，通态压降≤1．5V。

2．4 改进后的效果
　　采用交流固态继电器代替交流接触器，并采用新型固态继电器器件代替可控硅对半导体中性点开关进行技术改造，改造后的快速断电中性点开关关断时间可达到0．3ms。并将之应用到新型煤电钻综合保护装置中，使新型煤电钻综合保护装置的短路保护动作时间大大缩短（最长为41ms，最短可达13ms），可解决现有产品短路保护动作时间长的问题，有效的防止意外事故的发生。
3 结语
　　实践证明，新型固态继电器应用在煤电钻综合保护装置中，采用图2所示主电路和上述器件，与原固态继电器相比，具有结构简单，关断能力强，开关压降、功耗低，管子或模块容量大、价格低等特点，与故障电信号快速检测技术相结合，完全满足煤矿井下安全生产的需要。断开，从而断开主回路电源，快速实现保护。