煤礦地面變電所和主通風機房框架構建下的欠壓保護技術改造思路探索

張言秀

摘 要：文章以煤礦地面變電所和主通風機房框架構建下的欠壓保護技術改造思路探索為題展開了相關的研究工作，結合實例分析了在現有欠壓保護技術下風機回路或下井回路出現跳閘后對井下安全將有可能帶來的嚴重危害，而后就欠壓保護原理進行簡要介紹，并基于此提出了通風機欠壓保護、電磁脫扣欠壓保護、驅動跳閘線圈欠壓保護等三項基于欠壓保護技術思路下的改造方案。在針對現有的欠壓保護回路實施改造處理后，有效的規避了由于供電網絡的電壓影響而造成風機欠壓保護出現故障并造成停機事故，極大的提高了煤礦開采作業的安全性。最終希望借助于文章的研究工作能夠引起更為廣泛的討論與交流，以期能夠為提高井下煤礦開采作業的安全性提供一些新思路、新方法。

關鍵詞：煤礦；變電所；風機房；欠壓；保護技術；改造思路

在當前煤礦井下的電網欠壓保護中主要采用的是失壓脫扣器與欠壓保護回路驅動跳閘線圈，其電壓值在小于額定電壓65%后便會自動跳閘。但是由于目前電網的短路電流較大，在上級變電站以及自身變電所出現三相短路事故故障后，往往母線殘存電壓值會相較于額定電壓小40%左右，因此系統便會做出欠壓保護行為，致使風機回路亦或是井回路出現跳閘。為增強煤礦通風的安全性，盡可能預防發生由于瞬時電壓波動較大而導致的停機故障，文章就基于對欠壓保護原理的分析基礎之上，提出了一項具體的改造方案。

1 現狀分析

以某煤礦為例，該煤礦的年生產能力為445萬噸，有兩對主、副井（1#主副井、2#主副井）進風，三個風井（東一、東二、西風井）回風，礦井通風方式為中央分裂與兩翼對角混合式，三風井分別安裝離心式、軸流式、及軸流對旋式風機，東二風井為內安裝有ANN-2500/1250型軸流式式通風機設備，配備有額定功率Ne=1000kW電動機設備，其額定運轉速Ne=992r/min，額定電流值Ie=115.9A，電壓值Ue=6000V。鑒于目前電網的短路電流大，一旦上級變電站亦或是煤礦本身地面變電所出現三相短路故障后，母線殘余壓力常會大幅度低于額定電壓值，由此也就會導致欠壓保護動作的出現，使得風機出現停機情況；而在等待其他保護裝置的故障問題解決后，系統恢復正常供電，此時跳閘風機亦或是井下回路常常要人工操作方可確保電力供應恢復正常，因此便會造成礦井內的風力輸送出現長時間的中斷，并導致瓦斯濃度不斷升高，井內危險系數也將越來越高，對于井下的施工作業人員將會構成嚴重的生命安全威脅。

對此，為了實現對礦井內通風需求的有效滿足，主要可采取兩種方案，其一：重新選型對風機設備進行更換；其二：針對目前的現有風機采取技術改造。前一種方案要將現有的全部風機淘汰，不但會額外增加大量的成本支出，同時還要經歷風機的采購、運輸、安裝、調試等多個環節，影響時間較長，且會導致正常的煤礦開采生產受到干擾。經過綜合分析、對比及驗證，明確了對煤礦地面變電所以及主通風機房的高壓柜實施欠壓保護技術改造的方案措施，以期能夠降低成本并減小對正常生產的影響。

2 欠壓保護原理分析

2.1 概述

欠壓保護簡單來說就是在線路電壓下降到了臨界電壓值以后，對電器設備所采取的必要保護措施即為欠電壓保護，其主要的目的是為了避免設備由于大幅度過載而被燒毀。受到短路故障等因素的影響，線路電壓便會在極短的時間內發生大幅度的下降亦或是消失狀況。這一情況將會造成線路與電器設備出現受損。如促使電動機出現疲倒、堵轉等現象，進而出現數倍于額定電流值的過電流，使得電動機被損毀；而在電壓值恢復正常情況后，數量眾多的電動機設備自行啟動又會導致電動機的電壓急劇降低，同樣也會對電網線路及電器設備造成損傷。引發電動機疲倒的電壓值即被稱作臨界電壓。在線路電壓下降到了臨界電壓之后，對電器設備進行保護的動作也被稱作是欠電壓保護，其最為重要的價值是為了避免設備由于過載而被損壞。在本路電壓值小于臨界電壓保護電器才做出相應的保護動作即為施壓保護，其最為重要的任務是為了避免電動機自行啟動。

2.2 電動機閉鎖保護

在電動機保護當中存在著“低電壓”保護的情況，更多的和過電流以及負序等保護共同合作構成閉鎖保護，類似于“電動機復合電壓閉鎖過流”保護等。回路構成通常是為了促使單塊低電壓繼電器線圈同時并聯在PT二次回路的任意兩相之間，相應的常閉接點在過流保護啟動出口繼電器的回路之內，主要是起到閉鎖效果，通常即為電動機在正常運轉過程中PT二次回路電壓處于正常水平，低電壓繼電器線圈帶電吸合主要是處在返回狀態下，往往常閉接點會分斷，這時即使是電動機三相電流發生過流現象，然而只要電動機端的電壓值還未下降到預先設定的水平位置，低電壓繼電器便不會做出相應的反應，常閉接點也就依然處于開啟狀態，因而出口節電器就處于閉合狀態，該保護不發生動作。只有在電動機發生了過流現象并且電壓水平下降到了低電壓繼電器定值水平之下以后，這一保護才會繼續作出動作，在延時時間過了以后跳開發電開關。若設備并聯在網絡線路之上亦或是系統當中存在接地情況之時，電動機正常相的電流都往故障相流，進而導致某一項的定子電流出現過流情況，同時故障相的電壓也將下降，在小于設定水平之后，作出保護動作，開啟開關。

2.3 電動機低電壓保護

這一保護通常是應用于對較為關鍵設備的電動機控制回路內，同時此類電機功率往往與母線當中的其余電動機相對比來說均更為巨大，原理即為電動機跳閘回路內并聯單個低電壓繼電器常閉接點，同時此低電壓繼電器線圈也并聯在電動機所提供的三相電源母線內的兩相之間，在實際運行過程中，目前電壓值正常，低電壓繼電器線圈帶電吸合則處在返回狀態，常閉接點分隔，而在母線失電亦或是出現接地故障后，母線電壓下降到低電壓繼電器動作水平后，做出繼電器動作，常閉接點閉合，跳閘回路連通，電動機從母線分離出來。

3 基于欠壓保護技術思路下的改造方案

3.1 通風機欠壓保護改造

在煤礦開采區域內所采用的通風機設備主要包括了同步機和異步機兩類，主要是以異步機為主。（1）同步機通常具備有失步保護的功能，也就是在實施了改造處理時出現了瞬時電壓波動情況，很有可能會由于失步而無法避免瞬時電壓波動所帶來的不良影響。（2）在對異步機實施改造處理后完全可避免電壓瞬時大幅度波動所產生的不良影響，通常在電壓波動0.5s內便完全終結，在此情況下電機和風機依然可以保持旋轉狀態，只要電壓值恢復到正常水平，其也便會再次回歸正常運行狀態，一般而言電機與風機在恢復過程當中的電流值將會遠低于靜態啟動電流，并經研究后表明該狀況對電網而言影響不大。在礦井當中通常所選用的通風機欠壓保護方案為：磁脫扣型（采用延時欠壓保護來取代脫扣器）以及欠壓保護回路驅動跳閘線圈型（對保護回路實施改造處理，額外新增安裝延時回路）。

3.2 電磁脫扣欠壓保護改造

此種類型的無壓釋放裝置在實際操作過程中原理十分簡便，即憑借對電磁線圈吸附能力的調節來促使動作值得以改變。然而在電網電壓水平小于35%額定電壓后，線圈將憑借瞬時釋放來促使開關得以閉合，沒有任何能夠調控的余地。由于短距離三相短路所導致的電壓波動值往往偏大，殘存壓力相對較小，很有可能會造成欠壓釋放器出現多余動作。因而需針對這一種欠壓釋放裝置實施相應的改進處理。

一般變電站中經常應用的電壓電流保護裝置均較為常規，具備直流操作電源的可利用退出原裝設欠壓脫扣器，由電壓互感器二次側依次選取電壓Uab、Ubc、Uac，共接通3只電壓繼電器。

為避免電壓互感器因斷線而導致低電壓繼電器動作開關出現斷連情況，需在二次回路上串聯接入電壓互感器斷線并對繼電器采取封閉鎖定，如下圖1所示。

1YJ、2YJ、3YJ、ZJ常閉接點可在供電系統出現故障問題時促使電壓值下降至額定電壓值的40%左右，低電壓繼電器常規閉合點閉合，常規斷線閉鎖繼電器常規閉合接點也完全閉合，時間繼電器帶電，其接點延時閉合，跳閘回路連通開關跳閘。

在絕大部分6kV變電站的風機房中其所實施的繼電保護均為交流操作，系統電壓降低之后，跳閘線圈TQ電量值可確保操作過程不發生脫扣現象，從而欠壓保護的效果自然也就難以達到。因而需額外增加UPS電源來進行操作，其電壓值約為1kW左右，具體可結合以實際的操作機構來選取110V亦或是220V，而其容量值大小則應當符合于TQ功率值，除了所采用的繼電器為交流繼電器以外，在原理方面與直流操作完全一致。

3.3 驅動跳閘線圈欠壓保護改造

采取電解電容充放電來對跳閘線圈實施操作，依據電網電壓的波動頻率及存在時間來對1SJ與2SJ繼電器實施跳閘調整。在對驅動跳閘線圈欠壓保護進行改造前可利用欠壓繼電器1ZJ與2ZJ充當脫扣保護裝置，因此也便能夠規避電網電壓波。

在實施改造處理后可利用時間繼電器來充當延時脫扣保護，同時還可新增加電解電容來進行充放電操作并達成脫扣保護。

4 效果評價

將原本的欠壓繼電器予以拆卸，重新更換上能夠進行調控的0.1～5s的時間繼電器，所選用一只450V/1000？滋F的儲能釋放電解電容，并可依據實際的脫扣功率大小水平再重新并聯一只。整流模塊可選擇1000V/35A。之后將其中的接觸點轉換成常閉點，時間設定為0.5s左右，具體可結合實際狀況進行調整，原則上不超過5s即可。

在針對某煤礦的兩礦井進行了改造處理后，進行實際測定表明其動作時間為0.8s，次年該煤礦所在電網發生了一次較大幅度的電壓波動情況，除改造過的兩礦井高壓柜正常運行外，其它的運行設備均發生了停機情況，據此表明對煤礦地面變電所以及主通風機房實施欠壓保護技術改造其作用價值顯著，有助于保障煤礦生產作業的安全進行，實際應用價值顯著。

5 結束語

綜上所述，在對煤礦地面變電所以及主通風機房基于欠壓保護技術改造思路下，更換了可自主調節的1SJ以及2SJ時間繼電器后，不僅實現了對礦井通風量與負荷壓力的完全滿足，而且再未出現任何跳閘停機故障，電動機的運行安全及功率得到了顯著提升。

參考文獻

[1]連朝陽，姜寧.智能化欠壓保護裝置的研究[J].煤礦機械，2013，34（9）.

[2]席艷豐，張春霞.煤礦井下高壓開關改造探討[J].黑龍江科技信息，2015，（13）.

[3]宋志凱，韓國芳.煤礦提升機液壓站電接點壓力表欠壓、超壓保護分析[J].中國高新技術企業（中旬刊），2015（12）.

[4]張志偉.礦井局扇供電開關加裝失壓延時必要性分析[J].機械管理開發，2016，31（1）.

[5]楊小強.井下通信及監控系統交流穩壓供電裝置研究[J].華北科技學院學報，2014（10）.

[6]趙承先，穆春林.電壓波動引起井下高壓開關保護器跳閘的改進方法[J].電世界，2016，57（7）.

[7]孫繼平.《煤礦安全規程》電氣部分修訂意見[J].工礦自動化，2014，

40（4）.

[8]張誼，張英，楊春穩，等.MAX11068的12通道電池組電壓監測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13（10）.