煤礦綜采組合開關的故障診斷與處理

祁美華，侯 姍

（晉中職業技術學院 山西 晉中 030600）

1 概述

在煤礦井下，通常存在一定量的甲烷混合氣體。隨著溫度的升高，當濃度達到一定的值，一旦有微小的火星，都極容易引起煤塵爆炸[1]。因此，在額定工作狀態為工頻3300V 交流供電線路中，應當選用礦用隔爆兼本質安全型組合開關（以下簡稱組合開關）以控制三相交流電動機的起停、雙速切換，并且能保護電動機和供電線路。

2 組合開關結構特征

2.1 總體結構

具有抽拉功能，額定電流為400A/350A。驅動單元元器件有：熔斷器、真空接觸器、中間繼電器、電抗器、過電壓吸收裝置等。在前側板上裝有輸入、輸出顯示組件，可以直接顯示數據。在機芯架后面安裝有電流互感器，主要用于采樣電流信號。控制電路和控制系統通過接插件與組合開關實現連接。驅動單元通過軌道送入固定位置，控制對接自動完成。螺栓固定主回路[4]。

組合開關的主腔左側為DSP保護控制單元，它的作用就是對所有驅動器起到保護與控制[5]。

組合開關箱體使用鋼板制作，其密封性能較好，本安性能和防爆性能滿足國家相關安全規定。箱體整體安裝在長方形的支座上，主要由由四部分組成，分別是主腔、接線腔、輸入、電纜連接器和輸出電纜連接器。

組合開關的接線腔左前側，固定有一組進線接線端子排，接線腔的側面設置了控制回路引入裝置，在接線腔內通過接線端子排連接到組合開關[2]。

組合開關的主腔右側分為上下兩部分，上部主要安裝有可帶載分斷的隔離換相開關、高壓熔斷器以及電壓互感器等器件[3]。下部為驅動機芯架，其上安裝了驅動單元，

3 工作原理及功能

3.1 主回路接線及工作原理

主回路三相電源為3300V，進線首先連接進線電纜連接器、依次接入主隔離換相開關、真空接觸器、出線電纜連接器，最后連接到負載。隔離換相開關有“正”或“反”兩個檔位，手動操作開關時，對應的輔助觸點閉合，為真空交流接觸器的吸合做好準備[6，7]。

電流互感器檢測三相電流，二次側電流值通過DSP系統的采樣、運算、處理后，控制主回路，達到對電動機的保護功能。每一回路的輸出端都安裝有阻容保護裝置，防止主電路中過電壓燒壞電機。

3.2 主要功能

（1）起動、停止

系統自動采集主回路電流信號，經過濾波，對信號進行識別，從而判斷開關的運行狀態。一旦起動信號的線路發生短路，系統將立即發出中斷命令，顯示器顯示“先導短路”故障，并報警。當信號在2-5S內由啟動變為運行，并且被控電路正常時，發送“起動”命令，漏電閉鎖檢測回路斷開，閉合中間繼電器，接通真空接觸器，電機啟動運行。在真空接觸器起動和系統正常運行過程中，系統始終保持監測狀態，若發現中間繼電器或真空接觸器出現故障，則“發出”分斷命令，同時斷開真空接觸器，電機停止運行。

（2）保護功能

短路保護其整定范圍大約是（3～8）倍額定值。當線路中電流值大于整定值時，保護系統立即發出信號，斷開中間繼電器和真空接觸器，電動機停止運行，對供電線路和電機實現了保護。

過載保護為反時限特性。反映了三個量即過載保護時間、負載電流與額定電流之間的關系。當If＝1.2IN，過載保護時間約20min；當If＝1.5IN時，保護時間縮短為3min；當If＝6IN時，為起到快速保護的作用，時間設定為小于14S。

斷相保護采用采集三相回路電流進行比較的方法實施保護。若系統采集到三相電路中有兩相電流的有效值達到0.58倍，且保持的時間超過2分鐘時，控制電機的繼電器斷開，中間繼電器斷開，交流接觸器斷開，電機停止運行，對供電線路和電機實現了保護。

過壓、欠壓保護時，系統采集主回路電壓值，通過轉換、自動運算后，進行比較，當Ujs＜0.75UN或Ujs＞1.10UN時，控制電機的中間繼電器斷電，真空接觸器斷開，主回路斷開，電機停止運行，保護了電機和線路。

漏電閉鎖和后備保護。出現漏電情況時，如果接收到起動命令，也鎖定不執行，當系統檢測到故障狀態時，系統后備保護功能立即輸出跳閘信號，使前級開關分閘，斷開線路，防止了故障的擴大。

（3）通訊及顯示功能

組合開關可以通過MODBUS或以太網實現自動化網的信息通訊，實現遠程監控。中文液晶頁面可以直觀地體現各個模塊的當前狀態；實現人機互動、通訊功能。并且能顯示當前電壓值、電流值、功率和絕緣電阻值；能對故障原因進行出錯報警；并能實時監控頻率、箱體內環境溫度等；具有數據報表功能；具有記憶功能，可以即時查看歷史故障等。液晶顯示器顯示故障信息，并且發出報警信號。故障消失后需復位。

（4）試驗功能

組合開關兼備試驗性能。當隔離換相開關置于試驗位置時，并且要求負載側為斷電狀態時，進行各項功能試驗，包括各個回路中接觸器性能檢測，及過載、短路、漏電保護、閉鎖試驗和高壓絕緣監視，方便了設備維修。

4 常見故障

常見故障包括：回路故障有短路、過載、缺相、漏電、欠壓、失壓等；元器件出現故障主要是接觸器和中間繼電器接收信號不良引起的故障；TTT運行中出現的返回故障、跳閘及不平衡故障等[15]。

4.1 I/O電源短路故障

問題現象：現場反應兩隔離無論打在什么位置，都顯示斷，無法處理；所有回路都報漏電。

原因分析：I/O電源故障；調理模塊問題。

處理方法：下井檢查，首先看顯示模塊下的各電源指示燈是否正常，發現顯示板上I/O指示燈閃爍。根據此現象判斷是I/O電源可能短路，首先檢查配U/I板的連接線，是否有短路，經查因U/I板未裝，其連接線放在DSP保護單元腔內，而且裸露。導致檢修時不小心碰到，使+I/O與I/O與外殼碰或碰在一起，導致短路。查處后，做好絕緣措施，工作正常。

4.2 DSP系統多個模塊同時燒壞

問題現象：啟動C回路時燒壞DSP單元腔的所有模塊：3#處理、3#調理、I/O模塊、漏電調理模塊，及隔離上的控制接點，但都與I/O電源有關。

原因分析：因井下濕度大，而開關是直接搬家倒到新工作面，絕緣下降，通電之前未做絕緣檢查，就自行啟動回路，從而引起拉弧現象，燒壞控制線8號線（I/O），導致高壓串進控制線，燒壞模塊及隔離上的控制接點。

處理方法：首先用照明燈對開關進行烘烤48小時，提高開關內元器件絕緣性，然后找出故障點，處理徹底，確保硬件檢查正常后，再一塊一塊插模塊進行檢測，并跟班致工作正常。

4.3 組合開關堵頭燒壞

問題現象：備用的E回路輸出電纜連接器燒壞。

原因分析：試驗動作正常后，沒有檢查輸出插頭的連接情況，就合隔離啟動，導致沒插好的堵頭與底座連接處產生弧光，導致短路，燒毀電纜連接器。

處理方法：把燒毀的底座導電桿用砂紙打磨后噴絕緣劑。之后檢查后腔、驅動單元、隔離都沒發現問題并將備用回路禁止，然后臨時使用。后期更換備件。

4.4 轉載機啟動立刻變高速

問題現象：轉載機啟動時低速不啟動，瞬間直接啟動高速。

原因分析：設置被更改，選擇高速運行完成后，又設置為時間轉換，保存后未復位。

處理方法：檢查發現設置正確，該回路驅動單元也是完好的。重新設置程序，多復位幾次，問題解決。

4.5 開關顯示電壓過高

問題現象：開關顯示1800V電壓，電流顯示是平時的兩倍，報過載、短路等故障。

原因分析：供電系統是幾點呀偏高或TV電壓互感器問題；調理模塊問題；1#電源模塊問題。

處理方法：檢查供電電壓為1140V，測量TV輸出電壓為30多伏，判斷供電電壓與TV電壓互感器工作正常；更換調理模塊，仍顯示電壓過高，判斷電源模塊故障。檢查5V電源，只有4.84～4.85V，輸出低，換1號電源模塊，測得有4.97V輸出，后運轉顯示正常。

4.6 采煤機開機一小時報先導短路問題

問題現象：采煤機開機一小時左右停機開關報先導短路，把漏電轉接板上的放電管摘除煤機運行一小時還是報先導短路，摘除穩壓二極管后煤機運行還是不正常，把電纜頭換到其他回路采煤機運行一小時左右開關報先導短路。

原因分析：電纜問題，懷疑有高壓竄入到先導線中；煤機問題。

處理方法：搖電纜，正常；采煤機廠家在煤機那邊二極管上并了個電容，用來吸收電動勢。煤機正常啟動，開關正常。

5 結語

我國煤礦綜采技術及裝備得到了廣泛應用和取得了長足發展，高產高效綜采工作面已較為普遍。綜采工作面裝機容量超過5000kW，千萬噸級綜采工作面已成為許多超大型煤礦的發展目標。原來的常規供電方式，顯然無法滿足綜采工作面安全、高效生產的需要。供電方式必須向大功率、智能化、組合化、高可靠方向發展，有效減少搬家倒面和設備故障停機時間，大幅度提升礦井的自動化程度。

根據綜采設備供電與控制的總體需要，經過深入調研，研發了礦用隔爆兼本質安全型組合開關。組合開關采用全數字化處理技術，實現了控制、保護、人機互動、信號報警、網絡通訊等功能。在技術上實現了較高水平的跨越，不僅滿足了我國高產高效綜采工作面（包括千萬噸級綜采工作面）對供電與控制技術裝備的需要，而且解決了國產化的問題。

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