礦用高壓防爆開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的改進(jìn)研究

齊冀陽(yáng)

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備天晟電氣有限公司，山西大同037000）

高壓防爆開(kāi)關(guān)是高壓開(kāi)關(guān)柜的重要部件，一旦電源電壓發(fā)生變化，將導(dǎo)致低壓防爆開(kāi)關(guān)的故障，導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，對(duì)煤礦安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。風(fēng)機(jī)、排水水泵等都是一類(lèi)載荷，如果因高壓防爆開(kāi)關(guān)的失效而導(dǎo)致設(shè)備的停機(jī)，將對(duì)礦井生產(chǎn)和井下作業(yè)的人員的人身健康等造成巨大的威脅。即便在電力供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后，電力設(shè)施在瞬時(shí)啟動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)的瞬間超負(fù)荷，目前煤礦使用的大部分高壓、防爆開(kāi)關(guān)和安全保護(hù)裝置都是具有瞬時(shí)切斷速度功能，很可能因?yàn)檎`操作而導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷。

1 高壓防爆開(kāi)關(guān)動(dòng)作原因分析

在煤礦電力系統(tǒng)中，高、低壓瞬時(shí)切換是導(dǎo)致高壓防爆開(kāi)關(guān)發(fā)生欠壓保護(hù)的重要原因。電力系統(tǒng)的高、低壓瞬時(shí)過(guò)渡是由以下幾個(gè)方面引起的：

（1）沖擊載荷。大功率的大型機(jī)械，一旦啟動(dòng)，其瞬間輸出的能量就會(huì)超過(guò)正常的額定值，從而對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖擊。

（2）大機(jī)電設(shè)備直接啟動(dòng)。大型機(jī)電設(shè)備，尤其是沒(méi)有使用變頻控制的傳動(dòng)電機(jī)，如刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等，在直接起動(dòng)的情況下，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的供電線路產(chǎn)生很大的沖擊。

（3）供電系統(tǒng)短路。在發(fā)生短路的情況下，電力系統(tǒng)的電流會(huì)有明顯的提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了生產(chǎn)的需要。

（4）自然災(zāi)害。

2 高壓防爆開(kāi)關(guān)保護(hù)分析

2.1 保護(hù)原理

如圖1 中所示，負(fù)載被供電，并且實(shí)際的電壓是85%的額定電壓時(shí)，激勵(lì)線圈2 被激勵(lì)，而動(dòng)鐵芯3 獲得磁力。當(dāng)磁性比彈簧彈性大時(shí)，拉動(dòng)拉桿，使鎖緊裝置處于關(guān)閉狀態(tài)，電力供應(yīng)通道暢通。當(dāng)電源發(fā)生故障，電源電壓下降到35%以下時(shí)，防爆開(kāi)關(guān)鎖不能工作，在彈簧的彈力作用下，拉桿運(yùn)動(dòng)，卡環(huán)被彈開(kāi)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線路的保護(hù)。

圖1 脫扣器結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.2 高壓防爆開(kāi)關(guān)作用

（1）在電源系統(tǒng)發(fā)生失效時(shí)，電源電壓下降，即裝置不能工作，并在異常的參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行，即低壓力運(yùn)行。由于長(zhǎng)期在低電壓下運(yùn)行，造成的損壞很大，所以必須切斷電源和電氣裝置。

（2）電力供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生故障，線路上的設(shè)備不能運(yùn)行或運(yùn)行狀態(tài)異常，工作性能完全喪失或者只有部分功能。當(dāng)故障被修復(fù)后，大量的機(jī)械裝置同時(shí)被啟動(dòng)，使電力系統(tǒng)的負(fù)載大幅增大，使電力系統(tǒng)的電壓下降幅度明顯，在低于標(biāo)稱(chēng)電壓65%的情況下，通過(guò)防爆控制使負(fù)載的電力供應(yīng)中斷，從而避免因低壓造成的裝置的故障。或是電力供應(yīng)裝置維修后，立即投入使用的機(jī)械裝置，對(duì)進(jìn)行維修的工人和沒(méi)有及時(shí)疏散的工人造成損害。所以，在電力設(shè)備檢修后，必須保證線路上沒(méi)有工作的人，并且確定了線路的安全，才能進(jìn)行手動(dòng)的開(kāi)關(guān)控制操作。

2.3 問(wèn)題分析

低壓防爆開(kāi)關(guān)保護(hù)在理論上和實(shí)際應(yīng)用上都比較完善，但實(shí)際應(yīng)用中需要將整個(gè)電力供應(yīng)系統(tǒng)連接起來(lái)。然而，在煤礦的實(shí)際運(yùn)行中，電力供應(yīng)的故障往往發(fā)生在很短暫的時(shí)間內(nèi)，有時(shí)會(huì)在某個(gè)時(shí)刻突然發(fā)生低壓，也可能會(huì)有某個(gè)電源支路的電源失效而使電力供應(yīng)的主要線路的電壓下降。由于高壓防爆開(kāi)關(guān)是與整條電力線路相連接，因此，當(dāng)發(fā)生一些小的事故時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)系統(tǒng)的主要電路發(fā)生短路，造成大規(guī)模的停電，從而對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)造成一定的威脅。通過(guò)對(duì)高壓防爆斷路器的保護(hù)機(jī)理進(jìn)行了優(yōu)化和完善，以提高裝置的容錯(cuò)率和電力供應(yīng)的可靠性。

3 防爆開(kāi)關(guān)改進(jìn)研究

3.1 延時(shí)時(shí)間增加

礦井電力系統(tǒng)的延遲時(shí)間基準(zhǔn)通常是0.5，對(duì)于35kV 供電的電力線，其通常的過(guò)流防護(hù)延遲為1～2s，并在原有的延遲時(shí)間上加上1～2.5s，然后把電流防護(hù)延遲設(shè)定為1.5～2.5s。6～10kV 輸電線路的過(guò)流防護(hù)延遲通常不超過(guò)1s，并在1s基礎(chǔ)上添加一個(gè)基數(shù)，經(jīng)過(guò)改良的電源系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)延遲達(dá)到1.5s。通常，后備電力的工作延遲在1～1.5s 之間。綜合以上的結(jié)果表明，取防爆斷路器的延遲時(shí)間為電源的最大延遲，也就是2.5s。

3.2 改進(jìn)方案

常規(guī)的高壓防爆開(kāi)關(guān)在啟動(dòng)后，將會(huì)導(dǎo)致整條電源斷開(kāi)。所以，對(duì)防爆開(kāi)關(guān)的改造，就是根據(jù)斷電模式的變化，提高容錯(cuò)率，在電壓短期波動(dòng)或短期停電的情況下，不會(huì)把整條電力線路供電都給切斷。

3.2.1 高壓防爆開(kāi)關(guān)脫扣器改造

在原有的高電壓防爆斷路器中，使用JT 型電磁式繼電器替代，詳細(xì)的改造電路見(jiàn)圖2。在這些例子中，圖2(a)是一個(gè)系統(tǒng)線路，圖2(b)是一個(gè)控制線路。在具體的線路中，JT 代表JT 型電磁繼電器, E 代表電感元件；TQ代表了斷路器脫扣，TJ1代表了觸電開(kāi)關(guān)。在電源正常工作的情況下，JT 型電磁閥接上電源，使TJ1觸頭開(kāi)關(guān)打開(kāi)，這時(shí)，該控制線路為斷開(kāi)，不會(huì)對(duì)普通的防爆開(kāi)關(guān)進(jìn)行人工操作造成任何的干擾。在電源系統(tǒng)失靈，在實(shí)際的電壓小于35%的標(biāo)稱(chēng)下，并在2.5s內(nèi)，JT電磁閥將被切斷，TJ1的觸電開(kāi)關(guān)被關(guān)閉，這時(shí)TQ斷路器的脫扣線圈就會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)，吸引E電感位置，使電源電源電壓高，電路被切斷。

圖2 改進(jìn)的系統(tǒng)電路

3.2.2 JT電磁繼電器動(dòng)延時(shí)時(shí)間分析

JT繼電器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該繼電器中的磁扼、鐵芯由圓柱型電工鋼制成，磁扼和鐵芯之間沒(méi)有縫隙，形成一個(gè)整體。并且采用了鋁進(jìn)行基座澆灌，減少了磁間隙和磁阻，提高了整個(gè)繼電器的靈敏度。

圖3 JT型繼電器結(jié)構(gòu)

控制線JT1的觸電開(kāi)關(guān)被關(guān)閉，TQ線圈得到電流，從而產(chǎn)生電磁通。當(dāng)磁通量增大到某一程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種磁力，使鐵心與電樞發(fā)生接觸。在觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、控制線斷電后，因電流下降速度較快，根據(jù)楞次定律，當(dāng)線圈的磁通量下降時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這股電流與磁力的共同作用，使得磁通急劇下降。在阻尼罩中的感應(yīng)電流會(huì)使磁路中的磁力衰減速率減小，磁力由吸引鐵心與銜鐵的接觸到減小而由彈簧彈性力逐步脫離接觸的時(shí)刻稱(chēng)為繼電器延遲。所以，可以通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的彈性，達(dá)到調(diào)節(jié)繼電器延遲時(shí)間的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦高壓防爆開(kāi)關(guān)的改造和研究，使其具有一定的延遲時(shí)間，可以防止供電線路在短期內(nèi)出現(xiàn)的電壓波動(dòng)，也可以在短時(shí)間內(nèi)防止高壓防爆開(kāi)關(guān)發(fā)生故障，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的大面積斷電。同時(shí)，該高壓隔離開(kāi)關(guān)還能通過(guò)調(diào)整繼電器內(nèi)部彈簧來(lái)調(diào)節(jié)延遲時(shí)間。通過(guò)對(duì)TJ 型繼電器進(jìn)行的高壓防爆斷路器的延遲時(shí)間設(shè)置在0.8～3.0s 的范圍內(nèi)，其使用效果最佳。山西某煤礦采用改造后的高壓防爆開(kāi)關(guān)，有效地解決了因供電線路出現(xiàn)的瞬時(shí)電壓波動(dòng)和短時(shí)斷電造成的大面積斷電問(wèn)題，提高了煤礦電力系統(tǒng)的可靠性。