礦井高壓防爆開關保護裝置的改進設計

曹磊勝

（山西煤炭運銷集團首陽煤業有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

煤礦中安裝的高壓防爆開關保護設備是開關柜內部的關鍵部件，不具備較強的穩定性，當供電系統出現問題時，極易導致故障發生，對礦井生產造成了一定的影響。煤礦內部所運用的核心設備大多運用了一級負荷，一旦供電體系出現故障，不僅會對井下的正常生產造成了影響，而且極大威脅著工作人員的人身安全。例如，用來保持礦井中空氣流通的通風設備和抽水泵都采取了雙回路供電的模式，一旦供電系統發生問題，局部通風機的運行將會受到影響，導致瓦斯事故發生；就算供電系統的運行恢復正常，礦井內部的機電設備接通電源之后，依舊會產生瞬間超負荷。為了防止故障修復之后因瞬時通電所導致的線路瞬時過載而危害電網或因電機自啟之后導致人員受傷，礦井中的高壓電動機及相應的高壓控制設備應當具備各個保護功能。現階段，高壓防爆開關中所設置的欠電壓釋放設備大多具有迅速斷電、瞬間的特點，極易因錯誤操作而產生故障[1]。

1 故障原因

開關欠壓保護發生的關鍵因素就是供電系統內部發生的高壓及低壓瞬間轉化。供電系統內部發生低壓閃變的原因：（1）沖擊載荷，在啟動設備的時候，瞬時功率將會大于額定數值，極大沖擊了電路；（2）直接開啟大電機；（3）供電系統發生短路故障，電路中產生的電流無法滿足使用需求。

2 高壓隔爆開關欠電壓保護

2.1 欠電壓保護原理

當供電系統接入負荷及電壓持續提升到額定值的85%之后，勵磁線圈就會啟動，使鐵芯在通電狀況下形成磁性，同時所產生的引力也會超出彈簧的彈力，以驅動牽引桿運行，促使鎖扣維持閉合狀態，從而使通路保持通暢。當系統產生故障或者線路壓力降低時，當系統電壓處于標定值的35%之內時，該欠電壓脫扣器將會保持靜止，不能正常啟動運行，只有利用反作用彈簧在其彈力的影響下來驅動推桿，推開鎖扣，以有效保護線路。欠電壓脫扣器的結構圖如圖1所示。

圖1 欠壓脫扣器結構示意圖

2.2 欠電壓保護

處于欠電壓保護的背景下，主要存在2個轉換值，因此，欠電保護也可以形成2種作用。（1）當供電系統產生故障之后，電壓將會持續減小，設備的正常運行受到影響；并且在非正常區域工作的時候，就屬于低壓運行，一旦設備長時間維持低壓運行，就會受到較大的損壞；當欠電壓狀況發生時，就必須將線路及時斷開。（2）當故障出現的時候，設備的運行將會受到影響，處于停止或即將停止的邊緣；當線路可以正常運行之后，很多設備將會同一時間啟動，負荷也會瞬時間進入到電路中，電壓再次出現降低；當電壓持續降低到額定值的65%之后，欠壓保護動作將會斷電，避免因過低

的電壓而導致設備受到損壞，當供電系統恢復正常之后，電氣設備會因為瞬時恢復運行而傷害到工作人員[2]。

2.3 故障原因分析

欠電保護在設計及運行的過程中都較為合理，但是對供電系統而言，其內部所具有的聯動機制將會對其產生驅動作用。在實際應用的過程中會迅速產生故障，甚至是瞬時間出現低壓問題，或者母線的電壓因某個支路的故障問題而不斷降低。礦井中的主線會因局部較小的問題而出現短路故障，進而導致礦井發生大區域斷電的問題，這不僅嚴重影響到工作進度，而且會消耗較多的人力及物資。因此，欠電壓保護體制必須具備合理的斷電形式，促使連鎖反應的容錯率不斷提升。

3 防爆開關的優化改良

3.1 明確延遲時間

經過優化改良之后，與所有線路形成的延遲動作相比，其延遲時間多出了一個時間基數，為線路及設備保留了一個緩沖時間。當礦井通電之后，時間基數大多為0.5 s。處于35 kV電壓的電路中，根據相應的規定，取1～2 s的定時過流保護，再加入一個時間基數，因此在改良之后，其延遲時間處于1.5～2.5 s之間；處于6～10 kV的電路中，取15 s之內的定時過流保護，因此改良之后，其時間為1.5 s，備用電源會在0.5～1.5 s之間發生作用。由上述可知，在全部保護動作得以實現的時間區域內，設定最大數值，改良之后的延遲時間為2.5 s。

3.2 優化方案

以往所使用的防爆開關欠電保護設備會發生一系列影響電路的連鎖反應，使電路出現斷電問題。因此，改良就是根據以往發生反應的機理來調節斷電形式，使供電系統不會因短期斷電或電壓發生改變而觸發斷電開關[3]。

3.3 延時驅動欠電壓保護原理

對于高壓防爆開關內部安裝的欠電壓脫扣裝置，可以采用JT型直流電磁繼電器來進行取代，在將驅動欠電壓保護裝置加以改良之后，其流程圖如圖2所示。圖中，JT、JT1、TQ和E分別為JT型直流電磁繼電器、感應電路觸點開關、跳閘線圈和感應單元。其發生保護動作的原理為：當供電系統維持正常運行時，繼電器JT就可以連通電源，使JT1彈開，此時控制電路就會斷開，但并不會對防爆開關的手動操作造成影響[4]。當線路出現故障或拉閘出現斷電之后，電壓的實際數值將會小于額定數值，超出JT發生斷電的延遲時間，JT失去電力，JT1出現復位閉合，TQ則會連通，產生一種磁力，充分吸引感應單元E，驅動線路中所安裝的高壓開關將會發生斷電問題。

圖2 延時驅動欠電壓保護優化改造示意圖

3.4 延時的工作原理

JT型直流電磁延時繼電器，磁軛與鐵芯是以圓柱形整體電工鋼為材質來進行加工的，使兩者融為一體，再運用鋁基座進行澆鑄形成，進而使裝配氣隙和磁阻得以降低，其所具有的靈敏度不斷提升。極靴以圓形來套入鐵心的端部，銜鐵則加工成板形，設置在磁軛的端部，可以以棱角為中心進行轉動，繼電器可以在斷電釋放的狀況下，利用反力彈簧來打開銜鐵，鐵芯上方設有線圈，而磁軛上端安裝有阻尼銅套，以實現延時的效果。在銜鐵與鐵芯相互接觸的部位安裝有一個非磁性墊片，可以降低剩磁造成的影響[5]。該型號繼電器的構造圖如圖3所示。

圖3 JT型直流電電磁延時繼電器結構圖

當控制線路做出閉合動作之后，線圈將會接通電源，形成磁通，并呈現出上升的趨勢，當其達到某個數值之后，就會產生相應的磁力，使鐵芯與銜鐵之間形成較好的接觸；當控制電路斷電之后，其內部將會立即流失外界的電流，由于該過程的發生極為迅速，根據楞次定律，線圈中存在的磁通量將會在不斷減少的過程中形成一個電流，同時與磁場相互作用，形成一種力，從而對磁通量造成影響，使其持續降低[7]。阻尼外套中所存在的感應電流將會對磁路產生一定的影響，導致其磁性不斷減弱，磁力從完全吸引到被彈開，這段時間就是延遲時間，它是可以通過改善彈簧的松緊度來進行調整的[8]。

4 結束語

礦井下安裝的高壓防爆開關欠電保護裝置在改善之后，具備了延時功能，極大避免了電壓因短時間內劇烈變動而產生誤差問題，可以通過對繼電器內部彈簧的松緊狀態進行調節來嚴格控制延遲問題。經過相關測試之后，JT3型繼電器大約有0.8～3 s的延遲時間，應用效果最佳。優化改良之后的高壓防爆開關在實際應用的過程中可以極大避免因短期斷電或電壓發生變化所導致的礦井大區域斷電問題，促使供電系統具備更高的穩定性。