礦井高壓防爆開關(guān)保護(hù)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

曹磊勝

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)首陽煤業(yè)有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

煤礦中安裝的高壓防爆開關(guān)保護(hù)設(shè)備是開關(guān)柜內(nèi)部的關(guān)鍵部件，不具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，極易導(dǎo)致故障發(fā)生，對(duì)礦井生產(chǎn)造成了一定的影響。煤礦內(nèi)部所運(yùn)用的核心設(shè)備大多運(yùn)用了一級(jí)負(fù)荷，一旦供電體系出現(xiàn)故障，不僅會(huì)對(duì)井下的正常生產(chǎn)造成了影響，而且極大威脅著工作人員的人身安全。例如，用來保持礦井中空氣流通的通風(fēng)設(shè)備和抽水泵都采取了雙回路供電的模式，一旦供電系統(tǒng)發(fā)生問題，局部通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行將會(huì)受到影響，導(dǎo)致瓦斯事故發(fā)生；就算供電系統(tǒng)的運(yùn)行恢復(fù)正常，礦井內(nèi)部的機(jī)電設(shè)備接通電源之后，依舊會(huì)產(chǎn)生瞬間超負(fù)荷。為了防止故障修復(fù)之后因瞬時(shí)通電所導(dǎo)致的線路瞬時(shí)過載而危害電網(wǎng)或因電機(jī)自啟之后導(dǎo)致人員受傷，礦井中的高壓電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的高壓控制設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備各個(gè)保護(hù)功能。現(xiàn)階段，高壓防爆開關(guān)中所設(shè)置的欠電壓釋放設(shè)備大多具有迅速斷電、瞬間的特點(diǎn)，極易因錯(cuò)誤操作而產(chǎn)生故障[1]。

1 故障原因

開關(guān)欠壓保護(hù)發(fā)生的關(guān)鍵因素就是供電系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的高壓及低壓瞬間轉(zhuǎn)化。供電系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生低壓閃變的原因：（1）沖擊載荷，在啟動(dòng)設(shè)備的時(shí)候，瞬時(shí)功率將會(huì)大于額定數(shù)值，極大沖擊了電路；（2）直接開啟大電機(jī)；（3）供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障，電路中產(chǎn)生的電流無法滿足使用需求。

2 高壓隔爆開關(guān)欠電壓保護(hù)

2.1 欠電壓保護(hù)原理

當(dāng)供電系統(tǒng)接入負(fù)荷及電壓持續(xù)提升到額定值的85%之后，勵(lì)磁線圈就會(huì)啟動(dòng)，使鐵芯在通電狀況下形成磁性，同時(shí)所產(chǎn)生的引力也會(huì)超出彈簧的彈力，以驅(qū)動(dòng)牽引桿運(yùn)行，促使鎖扣維持閉合狀態(tài)，從而使通路保持通暢。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障或者線路壓力降低時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)電壓處于標(biāo)定值的35%之內(nèi)時(shí)，該欠電壓脫扣器將會(huì)保持靜止，不能正常啟動(dòng)運(yùn)行，只有利用反作用彈簧在其彈力的影響下來驅(qū)動(dòng)推桿，推開鎖扣，以有效保護(hù)線路。欠電壓脫扣器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 欠壓脫扣器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 欠電壓保護(hù)

處于欠電壓保護(hù)的背景下，主要存在2個(gè)轉(zhuǎn)換值，因此，欠電保護(hù)也可以形成2種作用。（1）當(dāng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生故障之后，電壓將會(huì)持續(xù)減小，設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響；并且在非正常區(qū)域工作的時(shí)候，就屬于低壓運(yùn)行，一旦設(shè)備長時(shí)間維持低壓運(yùn)行，就會(huì)受到較大的損壞；當(dāng)欠電壓狀況發(fā)生時(shí)，就必須將線路及時(shí)斷開。（2）當(dāng)故障出現(xiàn)的時(shí)候，設(shè)備的運(yùn)行將會(huì)受到影響，處于停止或即將停止的邊緣；當(dāng)線路可以正常運(yùn)行之后，很多設(shè)備將會(huì)同一時(shí)間啟動(dòng)，負(fù)荷也會(huì)瞬時(shí)間進(jìn)入到電路中，電壓再次出現(xiàn)降低；當(dāng)電壓持續(xù)降低到額定值的65%之后，欠壓保護(hù)動(dòng)作將會(huì)斷電，避免因過低

的電壓而導(dǎo)致設(shè)備受到損壞，當(dāng)供電系統(tǒng)恢復(fù)正常之后，電氣設(shè)備會(huì)因?yàn)樗矔r(shí)恢復(fù)運(yùn)行而傷害到工作人員[2]。

2.3 故障原因分析

欠電保護(hù)在設(shè)計(jì)及運(yùn)行的過程中都較為合理，但是對(duì)供電系統(tǒng)而言，其內(nèi)部所具有的聯(lián)動(dòng)機(jī)制將會(huì)對(duì)其產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用。在實(shí)際應(yīng)用的過程中會(huì)迅速產(chǎn)生故障，甚至是瞬時(shí)間出現(xiàn)低壓問題，或者母線的電壓因某個(gè)支路的故障問題而不斷降低。礦井中的主線會(huì)因局部較小的問題而出現(xiàn)短路故障，進(jìn)而導(dǎo)致礦井發(fā)生大區(qū)域斷電的問題，這不僅嚴(yán)重影響到工作進(jìn)度，而且會(huì)消耗較多的人力及物資。因此，欠電壓保護(hù)體制必須具備合理的斷電形式，促使連鎖反應(yīng)的容錯(cuò)率不斷提升。

3 防爆開關(guān)的優(yōu)化改良

3.1 明確延遲時(shí)間

經(jīng)過優(yōu)化改良之后，與所有線路形成的延遲動(dòng)作相比，其延遲時(shí)間多出了一個(gè)時(shí)間基數(shù)，為線路及設(shè)備保留了一個(gè)緩沖時(shí)間。當(dāng)?shù)V井通電之后，時(shí)間基數(shù)大多為0.5 s。處于35 kV電壓的電路中，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定，取1～2 s的定時(shí)過流保護(hù)，再加入一個(gè)時(shí)間基數(shù)，因此在改良之后，其延遲時(shí)間處于1.5～2.5 s之間；處于6～10 kV的電路中，取15 s之內(nèi)的定時(shí)過流保護(hù)，因此改良之后，其時(shí)間為1.5 s，備用電源會(huì)在0.5～1.5 s之間發(fā)生作用。由上述可知，在全部保護(hù)動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，設(shè)定最大數(shù)值，改良之后的延遲時(shí)間為2.5 s。

3.2 優(yōu)化方案

以往所使用的防爆開關(guān)欠電保護(hù)設(shè)備會(huì)發(fā)生一系列影響電路的連鎖反應(yīng)，使電路出現(xiàn)斷電問題。因此，改良就是根據(jù)以往發(fā)生反應(yīng)的機(jī)理來調(diào)節(jié)斷電形式，使供電系統(tǒng)不會(huì)因短期斷電或電壓發(fā)生改變而觸發(fā)斷電開關(guān)[3]。

3.3 延時(shí)驅(qū)動(dòng)欠電壓保護(hù)原理

對(duì)于高壓防爆開關(guān)內(nèi)部安裝的欠電壓脫扣裝置，可以采用JT型直流電磁繼電器來進(jìn)行取代，在將驅(qū)動(dòng)欠電壓保護(hù)裝置加以改良之后，其流程圖如圖2所示。圖中，JT、JT1、TQ和E分別為JT型直流電磁繼電器、感應(yīng)電路觸點(diǎn)開關(guān)、跳閘線圈和感應(yīng)單元。其發(fā)生保護(hù)動(dòng)作的原理為：當(dāng)供電系統(tǒng)維持正常運(yùn)行時(shí)，繼電器JT就可以連通電源，使JT1彈開，此時(shí)控制電路就會(huì)斷開，但并不會(huì)對(duì)防爆開關(guān)的手動(dòng)操作造成影響[4]。當(dāng)線路出現(xiàn)故障或拉閘出現(xiàn)斷電之后，電壓的實(shí)際數(shù)值將會(huì)小于額定數(shù)值，超出JT發(fā)生斷電的延遲時(shí)間，JT失去電力，JT1出現(xiàn)復(fù)位閉合，TQ則會(huì)連通，產(chǎn)生一種磁力，充分吸引感應(yīng)單元E，驅(qū)動(dòng)線路中所安裝的高壓開關(guān)將會(huì)發(fā)生斷電問題。

圖2 延時(shí)驅(qū)動(dòng)欠電壓保護(hù)優(yōu)化改造示意圖

3.4 延時(shí)的工作原理

JT型直流電磁延時(shí)繼電器，磁軛與鐵芯是以圓柱形整體電工鋼為材質(zhì)來進(jìn)行加工的，使兩者融為一體，再運(yùn)用鋁基座進(jìn)行澆鑄形成，進(jìn)而使裝配氣隙和磁阻得以降低，其所具有的靈敏度不斷提升。極靴以圓形來套入鐵心的端部，銜鐵則加工成板形，設(shè)置在磁軛的端部，可以以棱角為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，繼電器可以在斷電釋放的狀況下，利用反力彈簧來打開銜鐵，鐵芯上方設(shè)有線圈，而磁軛上端安裝有阻尼銅套，以實(shí)現(xiàn)延時(shí)的效果。在銜鐵與鐵芯相互接觸的部位安裝有一個(gè)非磁性墊片，可以降低剩磁造成的影響[5]。該型號(hào)繼電器的構(gòu)造圖如圖3所示。

圖3 JT型直流電電磁延時(shí)繼電器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)控制線路做出閉合動(dòng)作之后，線圈將會(huì)接通電源，形成磁通，并呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，當(dāng)其達(dá)到某個(gè)數(shù)值之后，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁力，使鐵芯與銜鐵之間形成較好的接觸；當(dāng)控制電路斷電之后，其內(nèi)部將會(huì)立即流失外界的電流，由于該過程的發(fā)生極為迅速，根據(jù)楞次定律，線圈中存在的磁通量將會(huì)在不斷減少的過程中形成一個(gè)電流，同時(shí)與磁場(chǎng)相互作用，形成一種力，從而對(duì)磁通量造成影響，使其持續(xù)降低[7]。阻尼外套中所存在的感應(yīng)電流將會(huì)對(duì)磁路產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致其磁性不斷減弱，磁力從完全吸引到被彈開，這段時(shí)間就是延遲時(shí)間，它是可以通過改善彈簧的松緊度來進(jìn)行調(diào)整的[8]。

4 結(jié)束語

礦井下安裝的高壓防爆開關(guān)欠電保護(hù)裝置在改善之后，具備了延時(shí)功能，極大避免了電壓因短時(shí)間內(nèi)劇烈變動(dòng)而產(chǎn)生誤差問題，可以通過對(duì)繼電器內(nèi)部彈簧的松緊狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)來嚴(yán)格控制延遲問題。經(jīng)過相關(guān)測(cè)試之后，JT3型繼電器大約有0.8～3 s的延遲時(shí)間，應(yīng)用效果最佳。優(yōu)化改良之后的高壓防爆開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用的過程中可以極大避免因短期斷電或電壓發(fā)生變化所導(dǎo)致的礦井大區(qū)域斷電問題，促使供電系統(tǒng)具備更高的穩(wěn)定性。