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煤矿井下高压防爆开关保护装置的改进

发表时间：2020/11/5 来源：《基层建设》2020年第21期作者：董建忠

[导读] 摘要：煤矿井下高压防爆开关保护装置作为开关柜的核心机构是一个相对薄弱的装置，当煤矿井下供电系统出现较大波动时，容易引发供电系统故障，直接影响到矿井的安全生产。

        开滦股份范各庄矿业分公司河北唐山 063100
        摘要：煤矿井下高压防爆开关保护装置作为开关柜的核心机构是一个相对薄弱的装置，当煤矿井下供电系统出现较大波动时，容易引发供电系统故障，直接影响到矿井的安全生产。即使供电系统故障修复后，机电设备瞬时通电也会造成供电线路瞬间过载，现阶段矿井采用的高压防爆开关保护装置多是具备瞬时断速功能的失压脱扣器，容易发生误动作造成供电中断问题。基于此，本文主要对煤矿井下高压防爆开关保护装置的改进进行分析探讨。
        关键词：煤矿；井下高压防爆开关；保护装置；改进
        1 高压防爆开关动作原因分析
        在矿井供电系统中高、低压瞬时转变是引起高压防爆开关出现欠压保护的主要因素。供电系统中出现高、低压瞬时转变主要原因为：
        （1）冲击载荷。大功率重型设备在开机启动的一瞬间，瞬间功率会远超额定功率，给供电电网造成较大冲击。
        （2）大机电设备直接启动。大机电设备特别是未采用变频控制设备，诸如刮板输送机、采煤机等驱动电机，直接启动时会给供电电路造成较大影响。
        （3）供电系统短路。当出现短路时，供电系统内电流增加显著，远超生产要求。
        （4）自然灾害。
        2 高压防爆开关保护分析
        2.1 保护原理
        具体如图１所示，当供电系统接入载荷，实际电压为额定电压值85%时，励磁线圈２通电，动铁芯３得到磁力。当磁力大于弹簧弹力，带动牵引杆移动，从而使得锁扣保持闭合状态，供电线路保持通路。当供电系统出现故障，供电电压降低至额定电压35%以内，防爆开关锁扣不动作，在弹簧弹力作用下拉杆移动，锁扣弹开，从而起到供电线路保护作用。

        图１脱扣器结构组成示意图
        2.2 高压防爆开关作用
        （1）当供电系统出现故障供电电压降低时，设备运转不正常且在非正常空间内运转，此状态为低压运转。长时间处于低压运转时设备会出现较大损伤，因此需要将机电设备与供电线路断开。
        （2）当供电系统出现故障，线路中设备运转不正常或无法正常运转，处于停止或接近停止状态，对供电系统进行修复后，大量机电设备同时启动，供电线路负荷显著增加，供电电压降低明显，当电压降低至额定电压65%以下时，防爆开关动作切断载荷供电电源，防止由于电压过低导致设备损坏。或者是供电系统修复后，瞬间进入工作状态的机电设备可能会给正在进行检修或者未及时撤离的作业人员带来伤害。因此，供电系统故障维修后，需要确保沿线无作业人员并确认安全后，方可进行人工合闸。
        2.3 问题分析
        高压防爆开关的欠压保护原理以及运行机制均较为成熟，但是在具体使用中却联动整个供电系统。但是在矿井实际生产过程中，供电系统出现故障时间较短，甚至某一瞬间出现低电压，或者某一供电支路供电故障导致供电主线路电压降低。由于高压防爆开关与整个供电线路联动，井下供电线路中较小故障就会引起供电系统主线路出现断路，出现大面积停电，影响矿井生产同时存在一定安全隐患。因此，对高压防爆开关保护机制进行优化改进，从而提升设备的连锁容错率，提高供电系统可靠性。
        3 防爆开关改进研究
        3.1 延时时间增加
        在井下供电系统中，延时时间基数一般取值为0.5s，在供电电压为35kv供电线路中，一般过流保护延时时间为1～2s，在原延时时间基础上增加一个时间基数，即将过流保护延时时间确定为1.5～2.5s。在6～10v供电线路中过流保护延时时间一般1s以内，增加一个时间基数，改进后的供电线路过流保护延时时间为1.5s。备用电源工作延时时间一般为1～1.5s。综上分析，将防爆开关延时时间取供电线路中延时时间最长时，即取值为2.5s。
        3.2 改进方案
        传统的高压防爆开关连锁动作后会切断整个供电线路。因此，防爆开关改进就是针对断电方式进行调整，增加容错率，在电压短时间波动或者短时间断电时，不会切断整个供电线路。
        3.2.1 高压防爆开关脱扣器改造
        采用JT型电磁继电器替换原高压防爆开关中的脱扣器，具体改进的系统电路见图２。

图2 改进的系统电路

        图3 JT型继电器结构
        其中，图２（ａ）表示系统电路，２（ｂ）表示控制电路。具体电路中，各JT表示JT型电磁继电器；Ｅ表示感应部分；TQ表示断路器跳闸线圈；JT1表示触电开关。当供电系统正常运行时，JT电磁继电器得电，带动JTI触电开关断开，此时控制电路处于断开状态，不会对防爆开关的正常手动控制带来影响；当供电系统出现故障，实际电压低于35%额定电压时且持续2.5后，JT电磁继电器断开连接，JT1触电开关闭合，此时控制线路中TQ断路器跳闸线圈产生磁力，吸引Ｅ感应部位，从而供电线路高压开关动作，供电被切断。
        3.2.2 JT电磁继电器动延时时间分析
        JT继电器结构见图３，其中采用圆柱电工钢制作磁轭、铁芯，从而确保磁轭、铁芯接触点无间隙，成为一个整体，后采用铝基座浇筑，大幅降低装配间隙及磁阻，提升了继电器整体灵敏度。控制线路JT1触电开关闭合，TQ线圈得电，产生磁通。当磁通增加到一定范围时，产生的磁力将铁芯与衔铁接触。当接触开关断开，控制线路断电后，由于断电速度极快，依据楞次定律，线圈产生的磁通量降低过程中会有一电流产生，在磁场产生的磁力以及电流共同作用下，磁通量开始迅速降低。阻尼外套内部嵌入的感应电流会降低磁路中磁性衰减速度，磁力从吸引铁芯与衔铁接触到降低逐渐被弹簧弹力断开接触的时间即为继电器延时时间。因此，可以通过调整弹簧松紧程度来对实现对继电器延时时间调整目的。
        4 结语
        对矿井高压防爆开关进行改进研究，从而使得改进的高压防爆开关具备一定的延时时间，能有避免供电线路短时间供电电压波动或者短时间停电引起高压防爆开关动作从而造成供电供电系统大面积停电问题。同时，改进后的高压隔爆开关可以通过调整的继电器内弹簧实现对延时时间的调节。相关应用试验表明，采用JT继电器的高压防爆开关延时时间设定在0.8～3.0S时，应用效果最为明显。山西某矿将改进后的高压防爆开关投入应用，有效避免了供电线路段时间电压波动或者短时间停电带来大面积停电问题，有效提升了矿井供电系统可靠性。
        参考文献:
        [1]许治慧．煤矿井下高压防爆开关保护装置的改进[J]．机械管理开发，2019，34（１）：149-150，152．
        [2]许朋．煤矿井下高压防爆开关控制器优化设计[J]．山东工业技术，2018（２）：85．