智能化組合開關在麻家梁煤業供電系統中的應用

張凱輝，胡亞芳，馬鵬飛

（1.同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036000；2.大同煤炭職業技術學院，山西 大同 037003）

目前綜采工作面電氣設備已朝著高電壓、大功率、大運量、集成化、智能化方向發展[1-2]。工作面進線電壓已達10 kV，工作面設備如采煤機、破碎機、轉載機、前部刮板輸送機和后部刮板輸送機等，供電電壓也達3 300 V。為保證工作人員安全，需要進行統一協調控制。工作面設備分布分散，并刮板輸送機機頭和機尾設置的2部電動機需要順序工作。如采用移動變壓器單獨供電，因移動變壓器本身向外輸出回路數量少，勢必會增加移動變壓器使用數量和連接電纜的數量，造成資源的浪費，加之不同廠家生產的移動變壓器啟動方式不同，造成控制方式混亂，不利于設備管理。磁力啟動器操作復雜，可靠性低的缺點，已被逐步淘汰。組合開關因輸出回路數量多，電氣保護全面、靈敏，控制方式靈活、多樣和控制線路簡單等優點被應用到煤礦生產過程中[3]。

1 組合開關供電系統組成

同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司14208綜放工作面采用2臺KJZ-2400/3300-9型九組合開關向工作面設備供電。其中1臺向后部刮板輸送機機頭、后部刮板輸送機機尾、轉載機、破碎機以及4臺乳化液泵供電。另外1臺向采煤機、前部刮板輸送機機頭、前部刮板輸送機機尾以及3臺噴霧泵供電。組合開關供電電路示意圖如圖1。

圖1 組合開關供電電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined switch power supplying circuit

圖1中，組合開關的形式為3路輸入和9路輸出，每路輸出接觸器的額定電流為630 A。每3路輸出帶有1路隔離開關，每路隔離開關額定輸入電流為800 A，分斷能力為20 kA，其中1臺隔離開關斷開只切斷其所帶的3回路，不影響其他回路工作。每臺組合開關均由2臺KBSGZY-2500/10.0-3.3 kV、KBSGZY-3150/10.0-3.3 kV型移動變壓器型移動變壓器供電。其中前部刮板輸送機、后部刮板輸送機機頭和機尾的每臺驅動電機功率為1 050 kW，采煤機裝機功率為1 915 kW，破碎機電機功率為400 kW，轉載機驅動電機采用高低速雙速電機，功率為600 kW，乳化液泵單臺電機功率為250 kW，噴霧泵單臺電機功率為132 kW。

2 組合開關結構構成

組合開關采用CAN總線結構[4]，CPU主控模塊通過內部總線與各下位機連接。CPU主控模塊可實時對接觸器模塊、隔離開關模塊、鍵盤模塊以及外接設備進行數據采集和控制指令的發出。組合開關組成結構示意圖如圖2。

圖2 組合開關組成結構示意圖Fig.2 Structure diagram of combined switch

圖2中，鍵盤模塊、I/O模塊、和備用接口采用本質安全電路連接。開關帶1路照明輸出，向外部提供AC 127 V和AC 220 V交流輸出，額定容量為5 kVA。此照明輸出帶有變壓器過流保護、漏電閉鎖、漏電保護以及漏電閉鎖和漏電保護試驗功能。照明輸出動作電流不大于15 A，動作時間不大于0.2 s，發生漏電保護故障后，照明綜合保護器將漏電閉鎖不能合閘，只有電網絕緣電阻值大于1.5倍動作值后，才可解除漏電閉鎖。外接設備模塊可與工業以太網連接，以實現智能化遠程控制[5]以及設備內部程序更新與上傳。通過CAN總線接口可將開關內部電流數據傳至外部設備，實現不同設備間電流數據監測。

3 組合開關系統

3.1 組合開關系統保護系統

為了保證組合開關安全、穩定、高效運行，每路接觸器均設計了完備的電氣保護功能[6]。

漏電閉鎖、漏電保護和高壓絕緣檢測3部分構成了漏電保護裝置，三者相互配合完成漏電保護功能。漏電閉鎖在單組接觸器啟動前不間斷監測負荷側絕緣狀態，若絕緣正常則允許啟動，反之，漏電閉鎖不能啟動，只有絕緣恢復到正常值以后才可啟動。漏電保護在接觸器啟動后實時監測負荷側絕緣狀態，若出現絕緣故障，則接觸器跳閘。高壓絕緣檢測采用3 000 V直流高壓加載到負荷側主電纜和電動機繞組上，采用微機檢驗采樣方法得到“電流-電壓”曲線，通過運算后，能有效顯示絕緣內部的集中性缺陷或受潮程度，更好反應系統絕緣狀態。

不平衡保護、反時限電流保護、短路保護和堵轉保護構成了組合開關的電流保護，不平衡保護可監測負荷側發生的相間短路和斷相故障，以防止該故障引起的過電流燒毀電機和供電線路，采用可調短延時的方法進行跳閘保護。

為防止供電線路因長期處于過負荷運行狀態產生過電流而引起的電機絕緣水平降低，從而導致電機使用壽命縮短，絕緣老化，甚至燒毀電機的后果。依據電機發熱和散熱數學模型[7]，通過數字信號處理器（DSP）采集電機繞組工作電流，模擬電機溫升變化，從而判斷電機的過載狀態。

為了防止負荷側發生短路故障產生大電流而造成電纜或電機燒毀的事故，采用實時鑒幅式監測[8]和速斷保護的方法動作于短路跳閘。由于工作面電機啟動過程中，具有較大的啟動電流，因此對短路保護整定采用兩段取值法，即啟動過程中取值和啟動后取值，以躲過啟動電流峰值，防止短路保護誤動作。

堵轉保護可實時監測負荷側發生的電機轉子卡死或因電機負荷過大造成的低速運轉，采用實時鑒幅式檢測加定延時保護的方法，防止因該故障引起的過電流而燒毀電機和線路。電流保護控制流程圖如圖3。

圖3 電流保護控制流程圖Fig.3 Flow chart of current protection control

圖3中，當電機啟動時，組合開關通過三相電流互感器獲取三相電流。若三相電流任意1相為0時，經過5 s后，若仍有1相電流為0，則開關報不平衡故障并跳閘。在啟動時限（10 s）內，若啟動電流值I大于9倍額定電流IN，并且功率因數cosφ大于0.9時，或者超過啟動時限后，電流值仍大于9倍額定電流，則觸發短路保護并跳閘，。

電機正常運轉后，若電流值大于5倍且小于8倍額定電流時，則短路保護啟動，開關跳閘。如果電流值位于4倍到7倍額定電流時，經5 s后電流值仍不變，則堵轉保護啟動，開關跳閘。

過載保護采用反時限過流保護，若電流值位于2倍到4倍額定電流值時，則延時50 s跳閘，電流值位于1.5倍到2倍額定電流值時，則延時5 min跳閘，電流值位于1.2倍到1.5倍額定電流值時，則延時20 min跳閘。若電機溫度T超過130℃時，則開關報電機超溫并跳閘。電壓保護有過壓保護和欠壓保護采用電壓互感器進行電壓檢測，當供電電壓高于最高電壓設定值或低于最低電壓設定值時過壓保護或欠壓保護投入運行并跳閘。

3.2 組合開關控制方式

組合開關具有靈活的控制方式，可根據不同需要進行控制方式的設置，采煤機采用先導控制[9]，集中控制臺對工作面刮板輸送機、轉載機和破碎機實現集中遠程控制，乳化液泵和噴霧泵采用開關本地鍵盤控制。

由于采煤機運行及檢修過程中需要頻繁啟動和停機，而組合開關布置在工作面進風巷中，二者相距較遠，因而采用預留在供電電纜中控制芯線與組合開關先導控制回路相連，以實現先導控制，先導控制方式示意圖如圖4。

圖4 先導控制方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of pilot control mode

圖4中，開關和大地構成回路，采用1根控制線即可實對現采煤機的啟?？刂疲瑢?0Ω電阻和啟動二極管放置在采煤機中，可以避免電纜和組合開關因控制線路短路而造成的誤啟動。開關內部采用光電耦合電路，避免了高壓線路和本安線路的直接接觸，提高了開關的安全性。相比于傳統的繼電器啟動方式，先導啟動方式彌補了低電壓情況下不易啟動和容易自行啟動的不足。

集中遠程控制方式是將先導控制方式用大地做回路的1路用控制線代替，直接采用本安線路就可以連接，因此控制線路安全性更高。當采用開關本地鍵盤控制方式時，本回路先導控制和集中遠程控制不起作用。

3.3 組合開關運行方式

工作面設備的運行方式除了單電機啟動方式外，還有單速多電機運行方式和雙速單電機運行方式，這就需要組合開關根據運行方式進行設計。

單速多電機運行時，首先需設置參與運行模塊的數量，確定模塊數量后，則需添加控制相應電機的回路，最后設定多電機間啟動延時。以工作面刮板輸送機為例，機尾電機要先于機頭電機0.5 s啟動，與2部電機同時啟動相比，這樣可減小設備啟動電流，并且降低因刮板輸送機底部存鏈而造成鏈條阻卡的可能性[10]。

雙速單電機運行方式下，需設置參與控制的回路，聯鎖運行方式，其包括時間方式、電流方式、鎖定高速和鎖定低速4種。時間方式是指在低速運行固定的時間后停止低速，啟動高速運行。電流方式是指在低速啟動后開始采集電流，電流在設定的時間內一直滿足要求則停止低速，啟動高速運行。鎖定高速和鎖定低速是指電機直接以高速或者低速啟動。

4 結 語

KJZ-2400/3300-9型九組合開關具有集成度高、操作簡單、故障率低、維護方便等優點。投入使用后，與以往工作面相比，減少了移動變壓器的使用，縮短了進風巷設備列車的長度，簡化了工作面設備供電線路和操作步驟，提高了設備集中控制率，因而提高了煤炭產量。預留的外部接口，可與地面調度控制中心直接互通，為下一步礦井智能化建設打下了堅實的基礎。