檢測礦山設備耐壓性中變頻器的應用

房亮 周游

摘 要：文章對礦山設備的耐壓絕緣性以及變壓器如何調壓進行分析，對傳統變壓器的諸多缺點（體積、匝數、檢測周期等方面缺陷）進行分析指正，這些缺陷對于測試礦山設備耐壓絕緣性。而通過數學模型對變壓器的調壓進行分析，將變頻參數的理論引入變壓調節中，一改傳統變匝數參數的辦法，同時利用諧振電路原理將變頻式變壓器應用至設備絕緣耐壓性的檢測上。

關鍵詞：礦山；變頻器；諧振

礦山設備作業環境多處于井下，由于井下空間較之井上不但空間狹小，并且粉塵、振動以及濕度都較大，且井下作業還伴隨瓦斯爆炸和塌方的威脅。并且大多數設備靠電能驅動，因而電氣設備在絕緣上的性能關系到礦山生產的整體安全。但是設備的絕緣性能也容易受到外界環境變化的影響，電壓、化學環境都會引起絕緣性能劣化，從而導致設備短路引發火災以及爆炸事故，因此礦山設備絕緣性能的保障十分重要。通過對數學模型的分析，文章使用變頻參數替代傳統的變匝參數，通過諧振電路的應用，設計出變頻變壓器，以提高礦山耐壓絕緣檢測的及時性為目的，應用變頻變壓器，在提高效率的同事減少了設備重量以及體積。

1 絕緣耐壓性能的檢測分析

1.1 動力分析

礦山生產中，常見的設備包括供電、輸送、破碎、選礦、研磨、磁選以及浮選等設備。電能同樣是供電設備的運行基礎，而其余設備的驅動裝置主要是同步電動機以及異步電動機，換言之，電能是礦山生產的能源基礎，而同步電動機以及異步電動機在劇烈震動以及粉塵環境下，其絕緣性極易遭到破壞，而礦山的生產環境決定了輸送、破碎、選礦以及研磨和磁選、浮選設備必須具有良好的絕緣性能。因為，一旦絕緣不良現象，就會使得設備外殼帶電，那么生產操作人員在工作時極易發生觸電事故，并且由于設備所處的井下環境較為特殊，若是設備發生三相短路或者兩項短路，則會引發火災、爆炸等事故。因此如何提高井下設備耐壓絕緣性能，并對設備進行檢測具有重要意義。

1.2 傳統分析法

1.2.1 分析結構

對變壓器匝數進行改變，對電壓進行調節，并設計出相應的性能測試原理圖，通過中交流調壓器對輸入電壓大小進行調整，升壓變壓器是用來調整輸入電壓的，但是由于測量需要采用直流電壓因此，在升壓后需要通過整流器將交流電轉變為直流電，而設備中設置絕緣電阻的作用是用以防止當設備絕緣老化后在測量過程中出現擊穿短路。？滋A表的作用主要是用于對設備絕緣等級進行測量。

1.2.2 數學模型分析概述

變壓的數學模型為

（1）

則，

U1、U2是變壓器原副邊電壓，N1，N2則為原副邊線圈的匝數，f代表電源頻率。

上述公式根據相關變壓原理，在原邊加電壓是220V時，若是需要將電壓提至10KV，則需要對原副邊比例進行增大，即K=45.45；若原邊匝數為20，那么副邊則需要匝數為909，如此一來，必然會增大實驗裝置的體積，且重量必然也會隨之增大，而設備體積、重量的增加必然會加大投入提高成本，并且調壓器是通過對匝數的改變予以實現，因此調壓器同樣會使得設備的重量以及體積增加。由于礦山大多地處偏遠，交通運輸條件較差，這些都為設備的檢測帶來了問題。很多檢測設備由于體積過大，導致其設備等生產原材料消耗過大，因而成本較高，這些不但延長了設備的檢測周期，同時還會因為檢測周期過長而導致礦山設備事故的增加，因此檢測設備亟須予以改進。

1.3 檢測設備的優化設計

1.3.1 變頻變壓數學模型分析

根據U1=4.44N1fΦ可以得出改變電壓的重要參數之一是頻率f，而礦山設備檢測設施的工作電源電壓通常為220V或者380V，而絕緣檢測需要輸出電壓達到10kV～50kV，而設備電壓的提升可以通過使用變頻器對工頻電壓進行交流-直流-交流的變化，對輸出進行大幅提高。

1.3.2 諧振變壓數學模型

在交流電路中電容和電感的性質相反，作為電抗原件，對LC電路相關參數以及電源頻率進行調節，在調節過程中，若是電路兩端電壓以及電流出現了相同的情況，那么就產生了諧振現象。若是LC發生了串聯，那么諧振則被稱為串聯諧振或者電壓諧振。通過對上述模型進行分析，那么對頻率進行調整的過程中，當變頻器調整滿足f大小，則電路中容抗電壓和感抗電壓相應被放大Q倍。由于感抗大于電路中的電阻，因此在容抗以及感抗上所放大的輸出電壓較大。當Q=250電壓為220V時，電壓的可以被放大到550kV，這樣就能夠滿足礦山設備在檢測時所需要的電壓數值。

1.3.3 基于變頻器的耐壓測試結構和，待測試品在加壓時顯示為容性，可以作為諧振電路中的容抗C，利用變頻器改變輸入電源的頻率，促使電路發生諧振，這樣原有的交流調壓器和交流升壓變壓器就被省去，極大地減小了礦山設備耐壓檢測體積和重量，同時制造成本也得到下降，便攜式高電壓變頻諧振耐壓試驗裝置的生產成為可能。根據國家標準《高電壓試驗技術》中有關電壓波形的規定：“試驗電壓一般應是頻率為46～64Hz的交流電壓，通常稱為工頻試驗電壓。按有關設備標準的規定，有些特殊試驗可能要求頻率遠低于或高于這一范圍。”對于容量變化在一定范圍內的試品，可以通過增加諧振電容器及多只電抗器組合的方式將變頻諧振試驗頻率控制在工頻范圍內，滿足工頻試驗要求。變頻串聯諧振方式的設備重量體積和所需要的電源容量遠低于普通變壓器，以200kVA/200kV系統為例，設備重量僅為傳統試驗變壓方式的1/10，采用該方式替代傳統方式可大大減輕現場工作量，適用于各類中壓電纜的交流試驗要求。

2 結束語

變頻絕緣測試設備在礦山中的應用在濾波特性上具有較高的優勢，其產生的直流電壓較之于普通變壓器更穩定可靠。對比傳統的設備變頻控制源具有較高的容量裕度，并且在保護功能以及穩定性上較強，輸出波形較好，且能夠適應多種工作環境，具有多種模式。由于改變了工作原理，因此設備體積小、質量小能夠方便搬運攜帶，在測試場具有較高的靈活性，方便操作。且設備工作電源為220V或者380V，現場取電便捷，能夠及時有效的檢測礦山設備的絕緣性，提高機械設備的安全性。

參考文獻

[1]張永健.電網監控與調度自動化[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]陳其純.可編程序控制器應用技術[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]甘肅電力工業局.電氣試驗[M].北京：中國電力出版社，2004.