工矿电气设备外置型过流报警器的研究与设计

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

安全生产是评价一个煤矿的重要指标之一，机电设备在煤矿生产中的重要性不言而喻，故对矿山机电设备的安全操作在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。一般工矿企业的供电设备(电气配电柜等)为防止主回路设备短路，或电动机发生环火等造成主回路电流过大而损坏发电机、主整流柜或电动机等电气设备的情况，对主回路的过电流应进行保护或控制，将设备损失控制在萌芽状态。

最典型的一个例子是电动机由于某些非正常原因严重过载如线圈短路或机械卡堵等，这种情况下供电主回路电流会超过正常的工作电流，这些过电流对发电机或配电柜来说仍属于正常范围，但如果电动机没有过流保护，或者既使有过流保护装置也是仅仅依靠双金属片这种不可靠的保护模式，如果任其长期非正常超负荷运转，电动机很容易被损坏。

最常用的办法是在主回路各相分别接入一个电流互感器，在电流互感器二次级分别串联相应保护电流额定值的过流继电器，一旦主回路电流超过额定值，过流继电器马上断开主回路而保护供电设备以及回路里的电气设备，这种应用结构简单、成熟，在业界广泛使用，但过流继电器不但价格比较昂贵而且动作准确性较差，并且不是很安全。

本文设计了一种电气设备外置型过流报警器，利用电流互感器的一次级测量主回路的电流，二次级的感应电流作为采样电流控制过流报警器，报警器声光报警，显示负载出错或是发生了短路现象，同时还可以断开主回路从而保护电气设备系统。

由于该报警器对于电气设备来说是外置的，故完全不会破坏原电气设备的结构，且对主回路的额定电流保护值可以通过一个电位器灵活调节，极富人性化。这种设计可以集成到配电柜电路中，更加巧妙的是可以独立设计为一个模块电路，这个报警模块在保证负载正常工作的前提下可以随意应用到几乎所有的电气设备系统上。

1 基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器

过流报警器电气原理如图1所示，包括电流互感器模块电路、电阻采样电路、LED发光电路及光敏电阻组成的偏置电路、RS触发器型双稳态电路、主电机回路保护电路、多谐振荡电路、声光报警电路及+9V交流-直流电源模块。其中+9V电源模块的内部电路由于篇幅原因不再详细介绍。

1.1 电流互感器电路及电阻采样电路

电流互感器英文缩写CT，本文在电流互感器工作的二次回路里串入一个采样电阻VR1，作为整个报警器的控制电压。

在图1中，电气设备主回路(火线)A相和C相分别作为电流互感器CT1、CT2的一次级线圈(1匝)，俗称穿心式电流互感器，CT1、CT2的二次级按照图示顺向串联连接(注意同名端)，得到的采样电流不是两个互感器的二次级电流之和，而是接近分开连接的电流平均值。电解电容C01、C02负极相连，正极分别跨接在串联后的互感器两侧，得到一个耐压50V、容量为50μF的无极性电容，可以防止电动机较大的启动电流流过采样电阻VR1而产生误报警和误动作[1]。

如果主回路实际电流是150A，那么可以选择变比为200/5(例如型号为LMZJ1-0.5-200/5A浇注式电流互感器)的电流互感器。CT1、CT2电流互感器串联以后的二次级串联一个采样电位器VR1，为了达到灵活、精确调节最大保护电流的目的，用精密多圈式电位器代替一般电位器。

采样电阻VR1的值根据所要保护主回路的最大电流值IMAX而定，为了保证电气电路安全，这个保护电流值总是小于等于发电机或配电柜的输出最大电流值，在保证电气设备正常运行的前提下可以随意定义IMAX。当电气设备主回路电流超过最大值IMAX时，那么经过电流互感器二次级电流为IMAX/40(假如选择200/5变比的电流互感器)。

在这里，通过采样电阻VR1的电流比较关键，VR1的值可由下面方法来确定：

1.2 LED电路及光敏电阻电路

光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1kΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ。光敏电阻的特殊性能，随着科技的发展将得到极其广泛应用[2]。

上文提到的电流互感器的二次级回路里串联一个电压采样电位器VR1，电位器上得到的电压将是整个报警器电路的控制电压，当电位器VR1两端的电压降高到足以使发光二极管(LED)D1和D2发光，发光二极管控制光敏电阻CDS(型号为LXD5516)的阻值，这个电阻值作为双稳态触发器控制端的偏置电阻，光敏电阻阻值降到一定程度就会立即触发双稳态触发器输出高电平，如图1。尽管一只发光二极管就可以使电路正常工作，但应同时使用两只以保证安全、稳定[3]。

1.3 应用555定时器实现R-S触发器型双稳态电路

图2 555定时器

555电路只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，这是555电路最常用的功能[4]。

本设计的特色之一是，应用555定时器除了可以实现以上功能，也可以实现R-S触发器型双稳态电路，这是一般教科书中没有提到的功能。

555这种新颖的工作方式，有一个缺点就是当电源第一次接通时，触发器有可能误输出高电平，导致继电器J(型号为JQX-10)误断开，被保护的电气设备断电停止工作，同时报警器声光误报警。为了解决这个问题，可以在IC1的复位引脚RD端(4脚)连接一个电容C5接地，这将导致引脚4在接通电源时保持一段时间低电平，这将重置输出(IC1定时器输出为0)，定时器初始化完成[5]。

同时得到了利用555定时器实现R-S触发器型双稳态电路的功能见表1。

表1 利用555定时器实现R-S触发器型双稳态电路的功能表

1.4 555定时器构成多谐振荡器

振荡过程可以简单描述为：电容C2充电时，定时器IC2输出UIC2-3=1；电容C2放电时，UIC2-3=0，电容C2不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

2 制作及注意事项

1)电流互感器的选型十分关键，不同型号的电流互感器在结构上往往有较大差异(包括铜排搭接形式、外形、铁心等以及动热稳定的耐受能力)，选择电流互感器的变比时，应首先得到实际负载额定电流，该电流最好处于互感器测量范围的65%～85%处。比如额定电流为70A，就应该选择100/5变比的互感器[8]。

2)发光二极管D1、D2以及光敏电阻CDS的装配也极为关键，它们应相互尽量靠近，一块安装在一个不透光的密闭容器内，应避免除发光二极管D1、D2光线以外的任何其它环境光线照射到光敏电阻上，以防误控。

3)偏置电位器VR2的选择也很关键，其没有一个确定的阻值，可以试用不同的阻值以适合光敏电阻CDS与发光二极管D1、D2的不同的耦合度，具体操作就是当发光二极管D1、D2点亮瞬间，报警器应该马上报警且断开电气设备的供电[9]。

3 应用分析

去年按照设计试产了一批保护模块，将其用到了汾西矿务局的甸头煤矿的一些机电设备上，经过近一年的试用，发现有时可能误报警，使用稍显麻烦，但大大降低了设备的损坏率，提高了生产效率，在煤炭行业不景气的今天，相应提高了经济效益。

误报警的原因经分析是由于采样电位器VR1以及偏置电位器VR2的设置不是很合适，导致报警器的门限值设置过于偏低，从而出现误报警的现象。

该设计的缺陷之一是被保护电气设备处理完故障后，保护电路不能自动接通被保护电气设备的供电，且一直保持报警状态，处理完故障后，除非按下开关SW1才可以解除保护和警报。

4 结 语

本设计巧妙通过电位器取得电流互感器二次级电流的采样电压，即可实现随意预置主回路保护电流的目的；发光二极管以及光敏电阻的使用，实现强弱电隔离；利用555定时器电路实现RS触发器型双稳态电路，这些都是该设计的特色。可以看出，该设计利用纯硬件电路实现了对工作现场的实时控制，通常实时控制需要较强的时效性，纯硬件电路恰好可以实现工作现场的极速控制。有些设计采用微控制器实现现场控制，是为了实现控制系统的多功能化，如数据显示或作为远程计算机系统的接口电路，但计算机处理的数据对象一定是数字信号，那么就需要A/D或D/A转换器，故这种控制方式的缺点就是在控制速度方面具有不可忽视的延迟性，故工作现场的控制往往采用纯硬件电路实现。