礦用隔爆移動負荷中心電氣故障及解決措施

魏 杰 朱熀秋 周 超 孫玉坤

（江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

礦用隔爆移動負荷中心主要由高壓負荷開關(guān)、隔爆型干式變壓器、低壓饋電開關(guān)等組成。對隔爆移動負荷中心檢修發(fā)現(xiàn)各個部分均存在一定的技術(shù)缺陷，如負荷中心二次線圈至低壓頭連接線存在漏電、不能分斷故障點的死區(qū)、隔爆干式變壓器線圈絕緣老化、鐵心過熱、噪聲大、有凝露等問題。分析故障原因，及時改進工藝，應(yīng)用新技術(shù)，對于保證礦用隔爆移動負荷中心的安全穩(wěn)定運行非常重要。為此，本文針對礦井隔爆移動負荷中心運行過程中存在的安全隱患以及常見的電氣故障進行分析并提出相應(yīng)解決措施。

1 隔爆干式變壓器常見問題與解決措施

1.1 結(jié)構(gòu)部分存在的問題與解決措施

目前，礦用隔爆型干式變壓器主要由磁心或稱鐵心、繞組、波紋外殼等組成。

1）結(jié)構(gòu)存在的技術(shù)問題

（1）由于其波紋外殼兩側(cè)為直立波紋，因此機械強度低，散熱效率差。

（2）由于波紋外殼的上側(cè)和下側(cè)波紋的波峰或波峪為半圓型，與變壓器的器身吻合較差，因此外形高度尺寸大。

（3）由于其矩形截面導線的寬面沿扁圓形繞組的軸向平行排列，因此繞組的機械強度較差。

（4）由于構(gòu)成繞組層間的散熱通道或高壓繞組與低壓繞組間的絕緣散熱通道的撐條橫截面為矩形，因此，不但影響繞組散熱，而且其成本較高。

（5）由于其穿過波紋外殼的信號溫度控制引出線接線座采用樹脂將四只導電桿和安裝法蘭澆鑄成一體的整體結(jié)構(gòu)，易開裂，成品率低，因此造價高、可靠性低。

2）解決措施

（1）在波紋外殼的兩側(cè)直立波紋外側(cè)各焊有導向散熱加強板，散熱面積較老式隔爆殼體的散熱面積要多出3～4倍，有效提高了變壓器整機的散熱效率。

（2）導向熱散熱加強板上可設(shè)有波紋槽或肋。

（3）波紋外殼上側(cè)或下側(cè)波紋的波峰或波峪為與磁心、繞組等構(gòu)成的器身相應(yīng)的弧形。

（4）繞制扁圓形筒式繞組的矩形截面導線的寬面沿扁圓形筒式繞組的軸向垂直排列。

（5）繞組層間散熱通道或高壓繞組與低壓繞組間的絕緣散熱通道采用橫截面為H形或凹形或L形的撐條。

（6）穿過外殼的信號溫度控制引出線接線座采用中心有孔的絕緣套和相應(yīng)的絕緣墊圈，且直接裝在波紋外殼端蓋設(shè)有的孔上，并用導電桿穿過絕緣套和絕緣墊圈固定的結(jié)構(gòu)。

1.2 線圈部分存在的問題與解決措施

繞組一般采用圓筒式結(jié)構(gòu)，較大型電站線圈高壓側(cè)采用連續(xù)糾結(jié)式，繞組采用H級絕緣，具有良好的電氣強度、機械強度及耐熱性能。

1）線圈部分存在的問題（1）線圈首匝沖擊電壓影響較大，造成匝間短路。（2）線圈在緊固、浸漆時不好，造成線圈使用中長期微震動，產(chǎn)生磨損，線圈匝間絕緣損壞短路。

（3）由于鐵心及線圈自身發(fā)熱，熱積累較大，造成線圈絕緣老化。

（4）糾結(jié)線段與引線及分接點處引線圈距離近，造成放電。

（5）繞制線圈不圓滑，表面局部有凸起現(xiàn)象，造成匝間絕緣損壞。

（6）繞組中有負載電流通過時,負載電流產(chǎn)生的漏磁引起繞組或磁屏蔽的振動。

2）解決措施

（1）加強移動負荷中心首匝絕緣，尤其是首匝彎折處絕緣，應(yīng)用聚酰亞胺薄膜加強絕緣，同時用拉緊帶進行很好的固定，在焊接引線時用玻璃絲繩將焊接周圍絕緣包好，以免損傷絕緣。

（2）檢查線圈上下夾緊件，上下夾緊點一定要對齊，線圈浸漆時一定要采用真空壓力浸漆，干燥完要檢查線匝之間固定情況。

（3）由于干式變壓器采用空氣自冷，器身安裝在隔爆外殼內(nèi)，殼內(nèi)的熱量靠空氣對流和輻射傳遞到殼外，散熱條件較差。對檢修的移動負荷中心要認真檢查電站的絕緣有無老化現(xiàn)象，及時進行線圈大修理。

（4）糾結(jié)線段與距離引線要在25mm左右，分接點處引線與線圈距離在20mm左右。

（5）根據(jù)線圈的損壞程度，制作重繞線圈模具。

1.3 鐵心部分存在的問題與解決措施

1）存在問題

礦用隔爆移動負荷中心采用三相芯式疊狀結(jié)構(gòu)，采用高導磁晶粒取向冷軋電工硅鋼片，45°全斜接縫，檢修的移動負荷中心發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

（1）硅鋼片加工毛刺較多，疊裝后壓破絕緣漆膜，漆膜脫落造成片問短路。

（2）由于井下的特殊環(huán)境，鐵心剪口斷面受潮，表面銹蝕嚴重。

（3）由于絕緣件墊的不到位，造成45°斜接縫對接不好，鐵心發(fā)熱大。

（4）鐵心有多點接地現(xiàn)象。

（5）電源電壓過高，變壓器鐵心有噪聲。

（6）變壓器鐵心產(chǎn)生的磁致伸縮和硅鋼片的平面振動，導致變壓器鐵心有噪聲。

2）解決措施

（1）鐵心疊裝時，認真檢查損傷的硅鋼片，對有毛刺的、彎曲的、邊緣有卷邊的一律不使用。

（2）對鐵心的剪口斷面做防銹處理。

（3）檢查上下鐵軛所墊絕緣情況，保證45°斜接縫對齊。

（4）檢查鐵心接地情況，尤其是總裝殼體后。因為這時有可能由于吊裝壓緊件松動，造成鐵心多點接地。

（5）檢查電網(wǎng)電壓，消除過電壓。

（6）鐵心結(jié)構(gòu)采用磁致伸縮小的硅鋼片、繞制鐵心過程中要注意工裝中心重合、硅鋼片受壓力均勻或采取無沖孔、全斜、臺階式交錯接縫，上下鐵扼用低導磁鋼拉板固定，并用意大利高強度H200玻璃纖維綁扎粘帶緊固結(jié)構(gòu)，有效地降低了噪聲、空載損耗和空載電流，從而加強鐵心結(jié)構(gòu)的可靠性和先進性。

2 高壓負荷開關(guān)及低壓饋電開關(guān)部分存在問題與解決措施

2.1 存在問題

從運行情況來看，現(xiàn)在使用的移動負荷中心存在一定的技術(shù)缺陷和安全隱患。

（1）高壓負荷開關(guān)雖能帶負荷操作，但本身沒有保護，只能起到近似隔離開關(guān)作用，且不能分斷故障電流。

（2）變壓器低壓繞組至低壓饋電開關(guān)回路漏電時無法進行保護。

（3）為了方便電站檢修，需在高壓頭前做增設(shè)高壓真空開關(guān)進行停送電操作，既增加了設(shè)備投資又使供電系統(tǒng)變的更為復雜。

（4）高壓電纜連接器容易出現(xiàn)故障，影響供電可靠性。

（5）低壓饋電開關(guān)真空斷路器分斷大電流能力較差，故障率較高。

（6）低壓饋電開關(guān)綜保設(shè)備多為分立元件，可靠性差，故障率較高。

（7）存在技術(shù)缺陷，缺少相敏保護和斷相保護原理，使大功率的電動機的短路保護整定難以滿足其靈敏度的要求。

2.2 解決問題的技術(shù)措施

為解決上述問題，引進了新型開關(guān)，如圖1所示。新型開關(guān)高壓側(cè)為高壓配電裝置，低壓側(cè)為保護箱，是目前國內(nèi)最先進的配置形式，其主要優(yōu)點為

圖1 高低壓開關(guān)組合

1）新開關(guān)具有完善的微機保護系統(tǒng)，低壓側(cè)保護與高壓側(cè)保護形成雙重保護，解決了變壓器低壓側(cè)繞組至饋電開關(guān)回路漏電不能分斷故障點的死區(qū)問題，并可根據(jù)電纜長短進行分布電容補償。

2）不必在移動負荷中心前增設(shè)高壓真空配電裝置，減少了巷道占用空間，簡化了停送電操作程序，維修方便、安全。

3）可省掉原有的高壓電纜連接器，提高了供電可靠性。

4）具有低壓保障分離高壓的控制和保護系統(tǒng)，突破了低壓饋電開關(guān)真空斷路器的電流瓶頸，可避免因低壓側(cè)分斷電流大造成的供電故障。

5）增加了相敏保護，完善了起動電流和遠端短路電流的篩選，解決了大功率電動機的起動和短路保護的整定問題，而增設(shè)的斷相保護使得在發(fā)生不對稱短路故障時也能實施保護。

6）可在外部對各項保護參數(shù)進行整定，方便快捷。

3 供電線路常見故障與解決方法

3.1 常見故障

1）在礦井供電系統(tǒng)中，最常見的短路故障類型有三相短路、兩相短路和單相接地短路。

2）斷相故障是指電動機的一種不正常運行狀態(tài)，它是由于電源一相斷線造成的。絕大多數(shù)斷相運行發(fā)生在采用熔斷器作為短路保護的供電系統(tǒng)中，由于一相熔斷器熔斷而造成了斷相運行狀態(tài)，少數(shù)是由于導體斷線或接點脫落等引起的。

3）過載故障是煤礦井下供電系統(tǒng)的不正常運行狀態(tài)，過載后電網(wǎng)的電流相位對稱，幅值大于整定電流，當設(shè)備的運行溫度超過其允許溫升時，就要對電網(wǎng)進行保護。

4）由于礦井中大部分供電線路為電纜供電，井下空間狹小，環(huán)境惡劣，陰暗潮濕，供電電纜的受潮和機械損傷使電纜經(jīng)常發(fā)生單相漏電故障。

5）煤礦井下綜合采掘工作面使用的用電設(shè)備如異步電動機等，多為感性負載。斷路器中多次電弧重燃會引起過電壓。

6）現(xiàn)代大型變壓器額定工作磁密一般為BN=(1.7～1.8)T，而飽和磁密BS=(1.9～2.0)T。兩者差不多，可見現(xiàn)代大型變壓器極易飽和，當正常運行時突然甩負荷會導致變壓器電壓升高造成過勵磁，鐵心飽和后勵磁電流急劇增大，一方面危害金屬部件使得其溫升過高，嚴重時會造成局部變形和損傷周圍絕緣介質(zhì)促使其老化。另一方面飽和后勵磁電流有許多高次諧波分量，渦流損耗與頻率平方成正比，因此造成變壓器嚴重過熱。

3.2 解決措施

1）針對上述各種短路故障時的電氣特征，三相對稱短路故障采用相敏保護原理，即通過檢測電流信號幅值大小和系統(tǒng)電壓、電流的相位差即功率因數(shù)，就可以有效的將起動電流與短路電流區(qū)分開來，使短路保護可靠性得到提高；其它幾種不對稱短路故障電網(wǎng)中都會產(chǎn)生負序電流分量，根據(jù)負序電流的大小來判斷不對稱短路故障，故采取斷相保護原理。

2）由于當發(fā)生斷相故障后，電網(wǎng)中存在負序電流，所以斷相保護措施采用負序電流保護原理?；谪撔蛐盘枡z測的保護原理就是利用故障線路中反映負序分量的電流作為故障判斷的依據(jù)，從而達到斷相和不對稱短路故障保護的目的。

3）根據(jù)電動機的過載故障特性，采用鑒幅式檢測和改進的反時限動作原理來實現(xiàn)過載保護功能，即過載電流倍數(shù)越大，允許過載時間越短，過載電流倍數(shù)越小，允許過載時間越長。反時限過載特性：tg=C/(K2-I)。

4）選擇基于零序功率方向的礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護技術(shù)作為礦用隔爆負荷中心選擇性漏電保護。該系統(tǒng)由總饋電開關(guān)和分饋電開關(guān)聯(lián)合構(gòu)成，總開關(guān)采用附加直流電源檢測原理檢測是否發(fā)生漏電，分開關(guān)采用零序功率方向檢測原理判斷發(fā)生漏電故障的線路。附加直流電源檢測原理與零序功率方向檢測原理的結(jié)合，可以保證電網(wǎng)漏電保護動作的瞬動性和電網(wǎng)對稱漏電時保護動作電阻值的穩(wěn)定性，還可以有效的避免傳統(tǒng)單一方法無法對漏電故障線路做出有效選擇的弊端，最大程度的縮小因漏電保護造成的斷電范圍，既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時的橫向選擇性和縱向選擇性保護功能。

5）針對過電壓類型不同，暫態(tài)過電壓即過電壓值一般都超過2.5倍的額定電壓，甚至達到6倍額定電壓，為了避免引起電氣設(shè)備絕緣擊穿，通常采用的抑制和保護措施有：壓敏電阻抑制操作過電壓，保證過電壓不超過額定相電壓（峰值）的 2.5倍。穩(wěn)態(tài)過電壓和欠電壓采用鑒幅式保護原理，線電壓經(jīng)電壓互感器 PT、整流電路 CU、濾波電路 FT等變換后送至PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，CPU對該信號進行采樣、判斷與處理。如圖2所示。

圖2 欠壓、過壓保護硬件框圖

6）如圖3所示，對過勵磁保護，以測量電壓頻率比U1/f為依據(jù)的過勵磁保護原理框圖。圖中UV為中間變換器，其輸入端接電壓互感器二次側(cè)；輸出端接R、C串聯(lián)回路。電容C兩端電壓UC經(jīng)整流濾波后，接執(zhí)行元件。當UC達到整定值，執(zhí)行元件動作。

圖3 變壓器過勵磁保護原理

4 其他常見故障及解決措施

4.1 常見故障

1）由于礦用隔爆干式變壓器是密封的，故其散熱困難，經(jīng)常出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，繞組過載或內(nèi)部發(fā)生匝間短路故障時，也將會發(fā)生過熱現(xiàn)象。

2）由于井下濕度大，殼體內(nèi)外溫差大，導致凝露的產(chǎn)生。

3）礦井下存在大量瓦斯，濃度適當時極易發(fā)生爆炸。

4.2 解決措施

1）針對過熱現(xiàn)象長期存在對設(shè)備穩(wěn)定性的影響，需增加溫度測量裝置對各個部分的溫度進行測量和實時監(jiān)測，從而使得設(shè)備運行更加安全。

2）通過加裝濕度傳感器STH75（如圖4所示）對井下適度進行實時監(jiān)測并且使用銅水熱管進行熱交換，均勻了殼體整體溫度，起到了抗凝露的作用。

圖4 STH75濕度傳感器

3）通過在隔爆干式變壓器內(nèi)部加裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器如采用KGS-20 型可燃氣傳感器，該傳感器以二氧化錫為基本敏感材料的，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。測量電路如圖5所示。對瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，以采取相應(yīng)措施，保證生產(chǎn)安全。

圖5 瓦斯測量電路

5 結(jié)論

本文針對礦井隔爆移動負荷中心運行過程中存在的安全問題以及常見的電氣故障進行綜合分析，針對存在的問題，提出了改進方法，本文提出的解決措施，對于保證礦用隔爆移動負荷中心安全穩(wěn)定運行有著參考價值。

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