變頻條件下的采煤機電纜設計與分析

金鑫

中煤科工集團上海研究院

變頻條件下的采煤機電纜設計與分析

金鑫

中煤科工集團上海研究院

Frequency converter cable for Coal Mining Machine Design and Analysis Jin Xin

介紹適用于變頻系統的采煤機電纜設計和變頻條件下采煤機電纜安全性分析。

變頻；采煤機電纜；安全性

Introductioonf frequenccy onvertecr able for coal mining machine design and safety analysis. Keywords

frequenccy onvertionc; able for coal mining;safety performa nce

1.概況

采煤機采用變頻系統，改善了采煤機在調速和啟動等諸多方面的性能，正在越來越多的被推廣使用，但使用中與之連接的普通采煤機電纜完好狀態下往往發生控制失靈的現象，采煤機電纜用于采煤機的動力電源連接和控制信號的傳輸，隨采煤機在采煤工作面往返運動，工況復雜，對電纜的安全性和功能性要求也更高，現國家標準GB/ T12972-2008《礦用橡套軟電纜》和行業標準MT818-2009《煤礦用電纜》在傳統采煤機電纜的安全性、功能性方面考慮的比較完善，由于變頻系統廣泛使用，隨之帶來的影響還是愈來愈突出，而現有標準并沒有相關闡述，如何解決變頻環境給采煤機電纜帶來的諸多問題，使采煤機電纜既滿足使用要求，且安全性更高是本文主要目的。

2.原理及性能分析

由于采煤機沿采煤工作面往返運動，啟動時一般與運輸機連鎖工作，采煤機電纜為采煤機提供動力電源傳輸的同時，兼顧采煤機的遠程控制，一般含有動力線芯、地線芯、至少還含有三根以上的控制線芯，對于變頻環境下采煤機電纜除滿足功能性要求的基礎上，還必須達到一些基本安全性能要求：

1）采煤工作面工況復雜，采煤機電纜作S型運動，應當具備良好的機械性能。

電纜運動過程中要受到嚴重的彎曲、拖拽、擠壓、扭轉以及煤塊的沖擊，對于電纜的使用壽命有很大的影響，電纜材料和結構要既要保證電纜的柔軟性也要達到高強度。MT818-2009標準中要求采煤機電纜應當滿足機械沖擊、擠壓和抗彎曲試驗的要求。

2）阻燃性能滿足煤礦井下安全要求。

阻燃性是煤礦井下電纜基本要求，煤礦安全規程、GB/T12706-2008和行業標準MT818-2009都對采煤機電纜的阻燃性作了明確規定，必須滿足MT386-2011標準規定的單根垂直燃燒試驗、負載條件下燃燒試驗、成束燃燒試驗的要求，無論是否用于變頻條件下，采煤機電纜的阻燃安全性都是放在首位的。

3）滿足變頻環境下的安全和使用要求。

變頻調速系統的整流和逆變電子組件產生的高次諧波通過電磁輻射、傳導和感應耦合對電纜及周邊元器件產生干擾和破壞作用，對于采煤機電纜最突出的表現在高次諧波疊加造成電纜地線芯產生高次諧波電壓和諧波電流，導致電纜護套帶電（屏蔽型電纜地線芯外無絕緣層直接通過屏蔽層或半導電層與護套層接觸），井下檢漏繼電器判斷電纜漏電而進行漏電保護，斷電停機。2對控制線芯產生干擾信號，造成控制信號出錯，無法開機或誤動作。所以采煤機電纜應當具備抑制諧波和抗干擾能力。

3.設計方案

基于上述要求，對于采煤機變頻電纜采取以下設計方案，電纜結構如圖1。

圖1

3.1 導體

動力線芯導體、地線芯導體、控制線芯導體應根據其功能和特點采用不同設計：

動力線芯導體采用軟銅線，其性能應符合GB/T 3956-2008 第5種導體的要求；

地線芯導體依據屏蔽形式的不同可采用三根動力線芯金屬屏蔽層兼地線或三根地線束絞繞包于控制線芯絕緣外兼控制線芯屏蔽層。設計原則是3根地線芯成120°繞圓心排列絞合成纜，相位依次相差120°。變頻系統產生的諧波因為在地線芯中相位平衡，不會形成幅值疊加，同時地線芯作為屏蔽層起到均勻電場，抑制電磁輻射的作用。

控制線芯為提高壽命，防止斷芯，采用高強度和高彎曲性能的航空用細鋼絲作為抗拉構件，圍繞細鋼絲采用銅線分層編織，絞和節徑比應低于6，這樣控制線芯導體柔軟性和延展型都比傳統采煤機采煤機電纜的控制線芯導體提高很多，同時外力基本作用于細鋼絲上，導體本身受力很小，壽命自然會大幅度提高。

3.2 絕緣

控制線芯絕緣和動力線芯絕緣采用三元乙丙橡膠，機械物理性能符合XJ-30A絕緣要求，抗張強度達到6.5N/mm2以上，相比傳統天然丁苯橡膠為基料的絕緣，強度得到極大提高，同時避免了天然-丁苯橡膠在硫化過程中易氧化導體的缺陷。絕緣體積電阻率可達到2400ΩMkm以上。

3.3 屏蔽

采煤機變頻電纜的屏蔽層作用包括：1）均勻電磁場，降低局部放電；2）起到接地保護作用，在絕緣破損情況下，與地線導通釋放泄漏電流。3）屏蔽電磁場對控制線芯及附近通信設備的干擾。對于固定敷設的電力電纜采用銅帶屏蔽和鎧裝結構較容易實現上述功能，但采煤機電纜因為需要反復彎曲，必然需要軟屏蔽結構，同時不降低屏蔽效果和抗彎曲性能，所以屏蔽層結構對于變頻采煤機電纜功能優劣至關重要。為滿足上述多個功能，應采用總屏蔽和分屏蔽雙層結構，分屏蔽即兼作地線的絕緣（動力線芯絕緣或控制線芯絕緣）屏蔽，總屏蔽采用銅絲編織或束繞于內外護套之間，編織屏蔽會適當降低柔軟性，但提高電纜強度，適用于無保護夾板的拖曳環境，束繞屏蔽仍然保持電纜的柔軟性，適用于彎曲半徑較小的工作場合。

3.4 護套

采煤機變頻電纜要求具備一定的機械物理性能和阻燃性能，采用氯丁膠為基料的阻燃護套,保證機械物理性能符合XH-30A護套的要求，同時阻燃性能也能滿足MT386-2011《煤礦用電纜阻燃性的試驗方法和判定規則》中單根垂直燃燒試驗、負載條件下燃燒燃燒試驗、成束燃燒試驗要求。

4 產品的試制和檢測

根據上述原理和性能分析，進行產品試制并進行性能檢測，各項指標均滿足MT818-2009中采煤機電纜要求。其中沖擊、擠壓、抗彎曲試驗9000次等機械性能試驗電纜各線芯未發生短路和斷路，抗干擾能力方面電纜屏蔽抑制系數（50Hz）小于0.7。

5 結語

變頻條件下的采煤機電纜設計重點是提高采煤機電纜抗干擾能力和諧波抑制水平，保證采煤機電纜在變頻條件下的安全性和使用壽命。上述設計方案經試制和檢測，性能滿足設計要求，而成本與國外類似產品價格比不到三分之一，具有實用和推廣價值。

[1]MT818-2009.煤礦用電纜

[2] MT/T386-2011.煤礦用電纜阻燃性的試驗方法和判定規則

[3] GB/T 3956-2008.電纜的導體

金鑫（1978—），男，工程師。2001年畢業于中國礦業大學機電工程學院機械工程及自動化專業，現在中煤科工集團上海研究院測試中心主要從事礦用電纜質量檢測工作，已發表4篇文章。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.105