基于故障电流变化率的本安短路保护电路设计

康 骞，许春雨，田慕琴，宋建成

(1.太原理工大学 矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，山西 太原 030024；2.太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山西 太原 030024)

本安电源作为煤矿井下重要的供电设备，要求在正常工作或发生故障时产生的火花能量均不足以引发爆炸[1，2]。随着井下电气设备越来越集成化、信息化，小功率的本安电源无法满足井下实际生产需求[3，4]。因此，研究提升本安电源输出功率具有重要意义[5]。

传统本安短路保护电路通过在主电路串联采样电阻进行识别，结构简单但动态响应速度慢[6，7]。文献[8，9]采用集成芯片控制技术，大大减少电路设计的复杂性，但保护原理没有实质性变化。

针对目前本安电源存在的保护反应速度慢、输出功率小等问题，本文设计了一种基于故障电流变化率的本安短路保护电路，为提升本安电源输出功率提供技术支持。

1 基于故障电流变化率的短路故障检测原理

本安电源短路故障模型可等效为如图1所示的电势电容电路[10]。图1中，E为电源电势，R0为充电电阻，C为滤波电容，ig为火花放电电流；S1为保护开关器件，R为短路回路电阻；Uh为发生火花放电的建弧电压[11]，LS为短路等效电感[12]，ug为火花放电时的输出端电压。

图1 电势电容电路

由图1可得：

由式(1)可得短路后火花放电电流ig、火花放电电压ug、火花放电功率Wg分别为：

ug=uc-igR

(3)

(4)

通过Matlab对电势电容电路短路后的火花放电模型进行仿真，仿真参数见表1。

表1 电势电容电路参数

电势电容电路短路后短路火花电流与短路火花电压的变化曲线如图2所示。由图2可知，电势电容电路发生故障后短路电流迅速上升，短路电压迅速下降，同时故障电流变化率在故障发生初始阶段发生突变。通过检测短路后故障电流变化率的值，在传统短路保护电路设定的阈值之前提前触发保护功能，加快保护速度，提升本安电源输出功率。

图2 电势电容电路输出短路仿真波形

2 本安短路保护电路设计

2.1 故障电流变化率检测电路

故障电流变化率检测电路如图3所示。Rs为电流采样电阻，运算放大器A1和电阻R1、R2构成同相放大电路，运算放大器A2、A3，电阻R3、R4、R5和电容C1构成逆函数型微分检测电路，用来将采样信号转换为微分信号。当本安电源发生短路故障时，is迅速上升，Rs两端电压u1为：

图3 故障电流变化率检测电路

u1=Rsis

(5)

微分检测电路输出为：

2.2 自恢复与驱动电路

自恢复与驱动电路如图4所示。自恢复电路由555定时器U1、电阻R6及电容C2、C3组成，驱动电路由电阻R7-R12、电容C4、三极管Q2-Q4及P沟道MOS管Q1组成。当电路发生故障时，比较器翻转输出低电平，555定时器开始计时，开关管Q1关断。计时结束后尝试重启电路，故障清除电路重新导通，否则进入下一周期计时。

图4 自恢复与驱动电路

2.3 软启动电路

为防止电路启动时电流上升过快造成误动作，设计了如图5所示的软启动电路。软启动电路由P沟道MOS管Q5、电阻R13、R14和电容C5构成。电路启动时，电容C5通过电阻R14充电，电压缓慢上升至R13上的分压时，充电结束，开关管Q5缓慢开启。

图5 软启动电路

3 本质安全特性分析

当电路发生短路故障时，传统短路保护电路直接将采样电阻Rs两端电压连接到比较电路，短路电流要达到设定阈值才能触发动作，采样检测时间较长。本文通过故障电流变化率检测电路继续对Rs两端电压进行放大微分处理。故障电流变化率检测电路故障检测速度快，能够在发生短路故障初始阶段故障电流变化率急剧增大时迅速实现故障检测。

由上述分析可知，传统短路保护电路短路故障检测判据可表示为：

u1>Vth1

(7)

式中，Vth1为设定的故障检测阈值；u1为故障后Rs两端电压，即式(5)。当采样电路两端电压大于设定的阈值时，判定电路发生短路故障。

基于故障电流变化率的短路保护电路检测判据为：

u2>Vth2

(8)

式中，Vth2为基于故障电流变化率的短路保护电路中比较电路的预设阈值；u2为故障后微分检测电路输出电压，即式(6)。

由于表达式较为复杂，求解方程困难，此处通过函数图像法进行分析。短路保护电路主要器件设计参数见表2。

表2 短路保护电路参数

为了比较两种保护方法的本质安全性能，假设两种保护方法比较电路预设的电压阈值相同，即：

Vth1=Vth2=Vth

(9)

两种短路保护电路检测输出电压随时间的变化曲线，如图6所示。从图中可以看出发生短路故障后，u2迅速上升至最大值后缓慢下降，u1则缓慢上升。选取合适的比较阈值Vth，若不考虑器件的动作延迟，基于故障电流变化率的短路保护电路在短路故障发生瞬间，即t1时刻达到阈值，而传统短路保护电路的采样信号缓慢上升，在t2时刻达到阈值，两种短路保护动作后释放的火花放电能量为Wg1、Wg2。由于火花放电时间越长，所释放的火花放电能量越多，其中t1

图6 两种短路保护电路检测输出电压曲线

4 本安短路保护电路性能测试

搭建了本安性能测试实验平台，对本安电源样机进行短路实验，得到的短路保护实验电流和电压波形如图7所示。

图7 短路保护实验电流和电压波形

由图7可近似得到如图8所示的短路电压和短路电流等效函数图像。

图8 短路电压和短路电流等效函数图像

根据图8近似波形可将短路电压波形和短路电流波形近似等效为下列函数：

将式(15)和式(16)代入式(4)进行积分计算可得短路后火花放电能量为：

(12)

根据GB 3836.4—2010规定[13]，当电路故障引起急剧短路时，短路瞬间所释放的能量应不超过下列响应设备类别的规定值：ⅡC类设备为20μJ，ⅡB类设备为80μJ，ⅡA类设备为160μJ，Ⅰ类设备为260μJ。本设计本安短路保护电路应用于煤矿井下Ⅰ类设备，满足设计要求。

自恢复实验电流和电压波形如图9所示。由图10可知，电路发生短路故障后电流电压都下降为零，110μs后电路重新启动，此时电路的短路故障未解除，电路再次触发保护机制。

图9 自恢复实验电流和电压波形

软启动实验电流和电压波形如图10所示。由图可知输出电流和电压在电源启动后缓慢上升，软启动性能良好。

图10 软启动实验电流和电压波形

5 结 语

本文将本安电源等效为电势电容电路并进行短路故障特性分析，发现短路后故障电流迅速上升并发生突变；设计了基于故障电流变化率的本安短路保护电路，能够快速准确检测本安电源短路故障。本质安全性能测试结果表明：在发生短路故障后瞬态输出能量为80.667μJ，自恢复和软启动性能稳定，满足设计要求，为解决实际生产中存在的问题提供技术支持。