礦用高壓防爆開關保護裝置的改進研究

齊冀陽

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備天晟電氣有限公司，山西大同037000）

高壓防爆開關是高壓開關柜的重要部件，一旦電源電壓發生變化，將導致低壓防爆開關的故障，導致電力供應中斷，對煤礦安全運行產生嚴重的不利影響。風機、排水水泵等都是一類載荷，如果因高壓防爆開關的失效而導致設備的停機，將對礦井生產和井下作業的人員的人身健康等造成巨大的威脅。即便在電力供應系統出現問題后，電力設施在瞬時啟動，也會導致電力供應的瞬間超負荷，目前煤礦使用的大部分高壓、防爆開關和安全保護裝置都是具有瞬時切斷速度功能，很可能因為誤操作而導致電力供應中斷。

1 高壓防爆開關動作原因分析

在煤礦電力系統中，高、低壓瞬時切換是導致高壓防爆開關發生欠壓保護的重要原因。電力系統的高、低壓瞬時過渡是由以下幾個方面引起的：

（1）沖擊載荷。大功率的大型機械，一旦啟動，其瞬間輸出的能量就會超過正常的額定值，從而對電力系統產生巨大的沖擊。

（2）大機電設備直接啟動。大型機電設備，尤其是沒有使用變頻控制的傳動電機，如刮板輸送機、采煤機等，在直接起動的情況下，會對電力系統的供電線路產生很大的沖擊。

（3）供電系統短路。在發生短路的情況下，電力系統的電流會有明顯的提高，遠遠超出了生產的需要。

（4）自然災害。

2 高壓防爆開關保護分析

2.1 保護原理

如圖1 中所示，負載被供電，并且實際的電壓是85%的額定電壓時，激勵線圈2 被激勵，而動鐵芯3 獲得磁力。當磁性比彈簧彈性大時，拉動拉桿，使鎖緊裝置處于關閉狀態，電力供應通道暢通。當電源發生故障，電源電壓下降到35%以下時，防爆開關鎖不能工作，在彈簧的彈力作用下，拉桿運動，卡環被彈開，這樣就可以實現對電力線路的保護。

圖1 脫扣器結構組成示意圖

2.2 高壓防爆開關作用

（1）在電源系統發生失效時，電源電壓下降，即裝置不能工作，并在異常的參數范圍內運行，即低壓力運行。由于長期在低電壓下運行，造成的損壞很大，所以必須切斷電源和電氣裝置。

（2）電力供應系統發生故障，線路上的設備不能運行或運行狀態異常，工作性能完全喪失或者只有部分功能。當故障被修復后，大量的機械裝置同時被啟動，使電力系統的負載大幅增大，使電力系統的電壓下降幅度明顯，在低于標稱電壓65%的情況下，通過防爆控制使負載的電力供應中斷，從而避免因低壓造成的裝置的故障。或是電力供應裝置維修后，立即投入使用的機械裝置，對進行維修的工人和沒有及時疏散的工人造成損害。所以，在電力設備檢修后，必須保證線路上沒有工作的人，并且確定了線路的安全，才能進行手動的開關控制操作。

2.3 問題分析

低壓防爆開關保護在理論上和實際應用上都比較完善，但實際應用中需要將整個電力供應系統連接起來。然而，在煤礦的實際運行中，電力供應的故障往往發生在很短暫的時間內，有時會在某個時刻突然發生低壓，也可能會有某個電源支路的電源失效而使電力供應的主要線路的電壓下降。由于高壓防爆開關是與整條電力線路相連接，因此，當發生一些小的事故時，會導致電力供應系統的主要電路發生短路，造成大規模的停電，從而對煤礦的正常生產造成一定的威脅。通過對高壓防爆斷路器的保護機理進行了優化和完善，以提高裝置的容錯率和電力供應的可靠性。

3 防爆開關改進研究

3.1 延時時間增加

礦井電力系統的延遲時間基準通常是0.5，對于35kV 供電的電力線，其通常的過流防護延遲為1～2s，并在原有的延遲時間上加上1～2.5s，然后把電流防護延遲設定為1.5～2.5s。6～10kV 輸電線路的過流防護延遲通常不超過1s，并在1s基礎上添加一個基數，經過改良的電源系統的過流保護延遲達到1.5s。通常，后備電力的工作延遲在1～1.5s 之間。綜合以上的結果表明，取防爆斷路器的延遲時間為電源的最大延遲，也就是2.5s。

3.2 改進方案

常規的高壓防爆開關在啟動后，將會導致整條電源斷開。所以，對防爆開關的改造，就是根據斷電模式的變化，提高容錯率，在電壓短期波動或短期停電的情況下，不會把整條電力線路供電都給切斷。

3.2.1 高壓防爆開關脫扣器改造

在原有的高電壓防爆斷路器中，使用JT 型電磁式繼電器替代，詳細的改造電路見圖2。在這些例子中，圖2(a)是一個系統線路，圖2(b)是一個控制線路。在具體的線路中，JT 代表JT 型電磁繼電器, E 代表電感元件；TQ代表了斷路器脫扣，TJ1代表了觸電開關。在電源正常工作的情況下，JT 型電磁閥接上電源，使TJ1觸頭開關打開，這時，該控制線路為斷開，不會對普通的防爆開關進行人工操作造成任何的干擾。在電源系統失靈，在實際的電壓小于35%的標稱下，并在2.5s內，JT電磁閥將被切斷，TJ1的觸電開關被關閉，這時TQ斷路器的脫扣線圈就會發生磁場，吸引E電感位置，使電源電源電壓高，電路被切斷。

圖2 改進的系統電路

3.2.2 JT電磁繼電器動延時時間分析

JT繼電器的結構如圖3所示，該繼電器中的磁扼、鐵芯由圓柱型電工鋼制成，磁扼和鐵芯之間沒有縫隙，形成一個整體。并且采用了鋁進行基座澆灌，減少了磁間隙和磁阻，提高了整個繼電器的靈敏度。

圖3 JT型繼電器結構

控制線JT1的觸電開關被關閉，TQ線圈得到電流，從而產生電磁通。當磁通量增大到某一程度時，就會產生一種磁力，使鐵心與電樞發生接觸。在觸點開關斷開、控制線斷電后，因電流下降速度較快，根據楞次定律，當線圈的磁通量下降時，線圈中會產生感應電流，這股電流與磁力的共同作用，使得磁通急劇下降。在阻尼罩中的感應電流會使磁路中的磁力衰減速率減小，磁力由吸引鐵心與銜鐵的接觸到減小而由彈簧彈性力逐步脫離接觸的時刻稱為繼電器延遲。所以，可以通過調節彈簧的彈性，達到調節繼電器延遲時間的目的。

4 結語

通過對煤礦高壓防爆開關的改造和研究，使其具有一定的延遲時間，可以防止供電線路在短期內出現的電壓波動，也可以在短時間內防止高壓防爆開關發生故障，從而導致電力系統的大面積斷電。同時，該高壓隔離開關還能通過調整繼電器內部彈簧來調節延遲時間。通過對TJ 型繼電器進行的高壓防爆斷路器的延遲時間設置在0.8～3.0s 的范圍內，其使用效果最佳。山西某煤礦采用改造后的高壓防爆開關，有效地解決了因供電線路出現的瞬時電壓波動和短時斷電造成的大面積斷電問題，提高了煤礦電力系統的可靠性。