礦用隔爆型高壓雙驅切換裝置的設計及應用

郭 波

(山西潞安煤炭技術裝備有限責任公司 山西潞安安易電氣有限公司， 山西 長治 046000)

0 引言

刮板輸送機是煤礦綜采工作面的重要運輸設備之一,其正常運行直接關系到煤礦的生產效率。近年來,隨著礦井產能提升，刮板輸送機的裝機功率和輸送量不斷增大,單臺電動機功率在700 kW以上，電壓等級由1 140 V上升至3 300 V，其起動問題逐漸成為當今研究的熱點和難點。為避免刮板輸送機重載起動沖擊及斷鏈事故的發生，相繼出現了雙速電動機起動和限矩型液力耦合器起動方式。限矩型液力耦合器占用空間較大,高速旋轉時易產生較大的徑向沖擊負荷;雙速電動機在高低速轉換時有動力沖擊斷鏈現象,結構復雜,故障點多。因此變頻起動成為目前刮板輸送機電動機起動的主要方式[1]。

變頻器調速性能好，起動力矩大，起動加速平穩，對刮板輸送機鏈條沖擊力小，可以有效實現斷鏈保護[3]。但是變頻器存在一定的弊端，由于變頻器是集自動控制技術、電力電子技術、電動傳動技術和通信技術為一體的電氣設備，產品故障后井下工人基本無法自己維修，需要廠家售后服務，甚至需要升井地面維修，而且功率單元、驅動單元等關鍵部件均為進口，因此變頻器故障后造成井下無計劃停產的時間較長。鑒于此，設計一種礦用隔爆型雙驅切換裝置，將變頻器和軟起動器采用“一用一備”方式應用在刮板輸送機電動機驅動上，確保變頻器和軟起動器無縫切換，避免綜采面故障停機事故出現，提高礦井的生產效率。

1 變頻器和軟起動器一用一備驅動方式

1.1軟起動器起動

目前國內煤礦綜采面應用軟起動，適用于額定電壓3.3 kV、額定電流315A及以下的三相交流感應異步雙速、雙繞組或單速電動機的起動控制,集高電壓、大功率調速技術與雙速磁力起動器于一體，解決了3.3 kV供電的刮板輸送機的滿載起動難題,減小了電網沖擊和輸送機的動載沖擊,最大起動力矩可達90%電動機堵轉轉矩,可以滿足滿載起動的要求[2]。

軟起動器的起動特性較變頻器有一定的差距，但是價格和維修成本等方面具有一定優勢，作為變頻器的備用驅動方案對于綜采面不停機生產具有實用價值。

1.2 綜采面變頻驅動方式

圖1所示為目前大型礦井綜采面前部刮板輸送機(后部刮板輸送機同前部)普遍采用驅動方式，變頻器具有2個獨立的輸出回路，可由1臺BPJ-2*1250/3.3變頻器驅動機頭和機尾電動機，具有單機模式或主從模式選擇；輸出回路之間可自動實現動態功率平衡。如果變頻器出現故障后部刮板輸送機停機進行維修，事故響應時間較長[4]。

圖1 綜采面變頻驅動系統

1.3 綜采面一用一備驅動方式

綜采面變頻驅動方式如圖2所示，在原有驅動方案中增加1臺高壓雙回路軟起動器和礦用隔爆雙驅切換裝置，變頻器的2個輸出回路經雙驅轉換裝置的兩端I回路輸入至隔離開關QS1和QS3，然后輸出至機頭和機尾電動機；高壓雙回路軟起動器2個輸出回路經雙驅轉換裝置的兩端II回路輸入至隔離開關QS2和QS4，然后輸出至機頭和機尾電動機。

礦用隔爆雙驅切換裝置QS1和QS2、QS3和QS4之間有機械互鎖功能，變頻器和軟起動之間起動回路有電氣互鎖功能，確保變頻器和軟起動之間唯一運行。正常運行時一般默認QS1和QS3合閘變頻驅動，QS2和QS4處于分閘狀態，而且高壓軟起無法送電運行；變頻器出現故障后，QS1和QS3分閘斷開后QS2和QS4才能合閘，高壓軟起動送電運行，不影響綜采面生產。

圖2 綜采面一用一備驅動方式

2 礦用隔爆雙驅切換裝置設計

圖3所示為礦用隔爆雙驅切換裝置(切換裝置)，該裝置殼體兩端分別安裝3個快插，即左右兩端各兩回路、輸入I回路、輸出如圖2所示，內部安裝4個隔離開關QS1、QS2、QS3、QS4，并由4個隔離手柄進行旋轉操作。左端兩回路(變頻器輸出和軟起輸出)通過兩回路輸入快插進入殼體連接左端QS1、QS3輸入，QS1、QS3輸出端短接后經過左端輸出快插連接電動機，右端連接同左端一致。為保證操作的安全性在隔離內部增加了門閉鎖、回路閉鎖等機械閉鎖和電氣閉鎖裝置[5-6]。

1-隔離手柄； 2-輸入快插； 3-隔離開關； 4-輸出快插； 5-隔離開關用萬轉開關； 6-回路切換用萬轉； 7-門閉鎖桿； 8-門閉鎖盤； 9-急停開關； 10-閉鎖電插鎖； 11-回路閉鎖連桿； 12-回路閉鎖連扳。

2.1 機械結構設計

機械結構設計主要是殼體結構設計和閉鎖裝置設計。殼體結構設計保證產品必須具有隔爆性和耐爆性，并且保證內部電器元件安裝合理緊湊，這部分設計簡單。閉鎖裝置設計必須掌握井下供電要求結合產品使用工況完成是設計的重點。

閉鎖裝置結構必須滿足：只有隔離全部斷電后殼體門才能打開，且打開后隔離無法動作；兩回路隔離之間必須有回路閉鎖，避免兩回路隔離同時合閘造成回路短路事故。對于閉鎖1要求，通過門閉鎖桿和門閉鎖盤之間的形狀限位完成，隔離手柄斷開隔離開關時帶動門閉鎖盤旋轉，盤上缺口給門閉鎖桿讓位橫移解除門蓋閉鎖；對于閉鎖2要求，在關門狀態下，回路切換萬轉旋轉至1位、0位和2位，對應QS1合閘、QS1和QS3分閘和QS2合閘狀態，通過帶動回路閉鎖連桿旋轉連帶回路閉鎖連板上下移動，連板上凸字結構進行手柄軸限位，確保任何時候只有一個隔離手柄可以實現旋轉合閘，萬轉在0位滿足2個隔離同時分閘。

2.2 電氣原理設計

電氣原理設計主要包括線路電流電壓檢測、合閘指示等基礎功能，短路、過載及漏電等主要保護功能在變頻器和軟起動都配置，不作為設計內容。考慮該裝置保證變頻器和軟起動兩個驅動源能夠獨立工作且相互備用無縫銜接，兩驅動之間的電氣邏輯控制是電氣原理設計的主要內容。

1) 正常運行時，如果需要將隔離斷開，必須通過急停-隔離機械閉鎖按下急停按鈕，電氣閉鎖功能將上級驅動裝置分閘斷電，隔離和電動機失電，避免隔離帶負荷斷電產生電弧燒毀設備的事故發生。

2) 正常送電操作時，必須隔離開關合閘至驅動I回路或驅動II回路，這時回路上相應的驅動才能合閘送電，必須隔離開關合閘后驅動才能送電，避免隔離帶負荷送電。

3) 正常送電操作和切換驅動回路時，必須保證驅動合閘的“唯一性”，隔離開關合閘至驅動I回路時，II回路上的驅動裝置無法合閘送電，反之亦然。總之一個回路的隔離開關帶電運行時，另一回路上驅動裝置無法合閘，始終確保備用回路隔離開關進線處于無電狀態。

2.2.1 急停閉鎖設計

雙驅起動接線如圖4所示,S101為變頻器1回路急停按鈕處于常閉狀態，LW1為圖3中隔離開關用萬轉，1回路隔離開關合閘時LW1中3和4節點接通按鈕起動，按下S101后變頻器遠端控制斷路，變頻器輸入接觸器分閘，隔離開關通過急停-隔離機械閉鎖分閘。

圖4 雙驅起動接線圖

2.2.2 回路閉鎖設計

為保證驅動合閘的“唯一性”，除了采用圖3的回路閉鎖裝置實現機械閉鎖外，考慮到回路合閘狀態顯示和井下工人違章操作，利用隔離開關用萬轉LW1和LW0的節點通斷實現合閘顯示和驅動裝置兩回路的電氣閉鎖。將圖3中回路切換萬轉LW0旋轉至1回路如圖4中5和6節點接通，但是2回路上3和4斷開，另外回路上隔離開關用萬轉的13和14節點如圖5串入對方起動回路，通過2個萬轉開關節點的串聯接入實現合分閘信號的輸出和驅動回路的互相閉鎖。

圖5 隔離用萬轉節點

2.2.3 觸頭黏連后備閉鎖設計

正常情況下在按下急停按鈕時變頻器輸入接觸器分閘，隔離開關通過解除急停-隔離機械閉鎖分閘。但是在井下工況中經常出現接觸器黏連的狀況，這時即使按下急停按鈕，切換裝置上級仍帶電，隔離開關屬于帶負荷斷電。這時如圖3在隔離手柄的門閉鎖盤旁安裝失電型DCS(電插鎖)裝置，該裝置帶電時插鎖頭伸出限制門閉鎖盤旋轉，失電時插鎖頭退回解除限制。如圖6所示，將DCS(電插鎖)的供電回路串入本回路驅動裝置的接觸器輔組觸點中，驅動裝置斷電，該裝置接觸器輔組觸點斷開，DCS(電插鎖)解除限制；如果接觸器觸頭黏連，那么輔組觸點仍連接，電插鎖仍限制門閉鎖盤旋轉，隔離開關無法分閘避免帶負荷分閘[7]。

圖6 電插鎖電氣原理

3 結論

目前國內電源切換裝置以1 140 V為主，不適應井下高產高效的綜采工作面3.3 kV的供電系統，因此在不改變綜采面供電方式及電動機驅動方式的基礎上，增加高壓軟起動作為變頻驅動的后備驅動，增加礦用隔爆雙驅切換裝置實現雙驅的無縫切換。一方面可以實現綜采面不停產檢修變頻器，另一方面可以減少無計劃停機故障時間，保證綜采面高效生產。