煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷檢驗技術(shù)研究

邵明杰

【摘要】 隨著科技的飛速發(fā)展，煤礦電器設(shè)備的容量和智能化水平不斷提高。本文在分析煤礦防爆產(chǎn)品發(fā)展形勢和相關(guān)國家及行業(yè)標準的基礎(chǔ)上，確定煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置的總體設(shè)計方案，并分別設(shè)計檢驗裝置試驗線路、飛弧檢測電路、電壓和電流檢測電路。實踐應(yīng)用表明：該設(shè)計能夠滿足煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷檢驗技術(shù)要求，試驗裝置具有測量精度高、穩(wěn)定性好、安全可靠等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 大容量 接通與分斷 檢驗

一、前言

煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置，是衡量煤礦用防爆電器產(chǎn)品實驗室能

力重要標志性的試驗設(shè)備。它是煤礦防爆電器產(chǎn)品試驗必不可少的試驗設(shè)備。因此，設(shè)計完成從事大容量煤礦用防爆電器產(chǎn)品安全性接通和分斷能力檢驗裝置，是國家級實驗室必須具備檢驗?zāi)芰酥?，是保障我國煤礦的安全生產(chǎn)及供電系統(tǒng)的安全重要檢驗手段。

二、煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置總體設(shè)計方案

煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置主要由以下十部分組成：高壓開關(guān)柜組，額定容量4500 kVA、型式容量25000 kVA、短路阻抗1.8%的沖擊試驗變壓器，三組交流前級、后級負載阻抗，自動控制與微機數(shù)據(jù)采集試驗裝置，保護裝置，陪試裝置，電壓換接裝置，操作控制試驗臺，母線和試驗架構(gòu)成。煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置由一臺額定電壓10/1.14kV（0.66kV、0.38kV） 、額定容量3500kVA、型式容量25000kVA、沖擊試驗變壓器作為總電源輸出，變壓器電源輸出通過電壓換接裝置轉(zhuǎn)換成3.3kV/1.14 kV /0.66 kV三組輸出電壓，采用刀閘切換改變沖擊變壓器輸出端的串、并聯(lián)及星、三角轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)沖擊變壓器二次側(cè)的電壓調(diào)整， 試驗總體框圖如圖1所示[4]。

與開斷試驗檢驗裝置試驗總體框圖根據(jù)實驗要求進行電壓輸出；電壓換接裝置輸出實驗電壓后進行入低保裝置；低保裝置的功能是在出現(xiàn)試驗故障和異常時切斷輸出，保護阻抗裝置和試品，低保中主要器件是一個GN22-12C/3150高壓隔離開關(guān)和ZN60A-12/3150高壓真空斷路器；轉(zhuǎn)換裝置可根據(jù)試品的類型進行前、后級阻抗的切換；陪試裝置的主要功能是根據(jù)試驗程序進行合閘、分閘；前、后級負載阻抗是根據(jù)試驗所需參數(shù)進行電抗、電阻的調(diào)節(jié)，滿足試品的模擬負載條件。電抗器用無磁性材料的空芯電感線圈構(gòu)成，每相有8個電抗元件串級組成，調(diào)節(jié)細度符合電流偏差不大于5%的要求，設(shè)計級差按Z5%=3.029uh。電阻器采用高溫電阻合金（0Cr25Al5），溫度系數(shù)5×10-5/℃，每相有32組元件串并聯(lián)構(gòu)成，調(diào)節(jié)細度符合Cosφ偏差不大于±0.05，即最小級差：△R=0.21965mΩ。

控制與微機數(shù)據(jù)采集試驗裝置，能實現(xiàn)遠距離控制、操作和數(shù)據(jù)的時時采集，利用計算機和PLC的功能進行數(shù)據(jù)自動采集和處理將高頻暫態(tài)過程用數(shù)據(jù)和圖表的形式展示出來，實現(xiàn)開關(guān)電器試驗的自動化和可視化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件由線性光隔離放大器、通道板和計算機硬件平臺構(gòu)成。其中通道板由4個高頻通道和12個低頻通道組成，高頻通道用來采集電弧熄滅瞬間開關(guān)觸頭兩端或熔斷器兩端的過電壓，低頻通道利用PLC的高精度A/D模塊和繼電器接點控制模塊實現(xiàn)采集電壓、電流信號的全過程數(shù)據(jù)。計算機輔助檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測量時間精度可達+0.5ms；電流測量精度+1.5%；選相開關(guān)及角度精度+1度；能可靠快速接通和關(guān)斷試驗電流、最短切換時間10ms。

煤礦用大容量防爆電器所控制的負載都是接在開關(guān)的后面，所以模擬實際負載的阻抗也應(yīng)該接在被試電器后面。這樣，試驗過程中觸頭間存在電弧時，被試電器各極間的電壓將接近于電路的額定電壓，使產(chǎn)生相間飛弧的情況下，被試電器各極間的電壓將接近于電路的額定電壓，使產(chǎn)生相間飛弧的條件接近與實際情況[5]。但在試驗過程中可能由于發(fā)生相間短路產(chǎn)生較大的故障電流，為了限制故障電流，允許在被試電器觸頭和電源之間接入一定的前級阻抗（前級阻抗與電源內(nèi)阻值之和不得大于實驗電路總阻抗值的0.1倍）。

煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置試驗線路主要由電源、前級阻抗、試品、后級阻抗、限流電阻和熔斷器等組成，主電路分為單極電器的單相交流或直流試驗電路、雙極電器的單相交流或直流試驗電路、三極或者3個單極電器的三相交流試驗電路及四極電器的三相四線交流試驗電路，本文以三極三相交流試驗電路為例，試驗線路如圖2所示。

3.1 飛弧檢測

飛弧電路是驗證煤礦用大容量防爆電器在通斷能力試驗中是否發(fā)生對地或極間飛弧短路的一種試驗電路，由圖3中限流電阻RL、熔斷器FU、電源中性點N和被試樣品外殼P組成的支路為飛弧檢測電路。

試驗過程中判斷有無飛弧根據(jù)飛虎檢測電路中熔斷元件是否熔斷來判斷。 由于試驗時噴出的飛弧與熔斷元件相連的試品接地部件之間有一定的電位差，當(dāng)噴出的電弧附近的空氣被電離成導(dǎo)電狀態(tài)或直接噴射到接地部件后，總有一定的電弧電流要經(jīng)過飛弧限流電阻RL和熔斷元件FU到達電源中性點。如果此電流足夠大或持續(xù)時間長，即I2t足夠大，可使FU熔斷。飛弧限流電阻值RL的計算方法如下式所示：

煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗試驗時電流值較大，本文選用Rogowski線圈對試驗線路中的電流進行測量。Rogowski線圈等效電路如圖3所示，圖中Rogowski線圈感應(yīng)電動勢用E表示，電路采樣電阻用R2表示，Rogowski線圈不同匝間電容用C表示，Rogowski線圈內(nèi)阻為R1，Rogowski線圈自感用L表示。

試驗過程電壓幅值較高，常用的儀器儀表不能承受，所以本文設(shè)計橋式分壓電路來測量試驗電壓，電路如圖4所示，測量時被測部位與a、b兩端連接即可。圖中R1、R2是附加的標準電阻，其中R1=9R2，這樣c、d兩端點的電壓為被測電壓信號的1/10，它對地電壓只等于被測電壓的1/20。

四、結(jié)論

本文在國家煤礦電氣產(chǎn)品通斷試驗相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，研制煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗檢驗裝置。裝置主要用于考核電器產(chǎn)品在正常工作和短路狀態(tài)下開關(guān)的最大負荷分斷能力及該種狀態(tài)下能否可靠分斷供電線路且電器不發(fā)生觸頭熔焊、拉弧及其它可引起電氣絕緣降低的現(xiàn)象。實踐證明：檢驗裝置可以按照預(yù)期要求完成煤礦大容量防爆產(chǎn)品接通與開斷試驗，為煤礦井下防爆電氣產(chǎn)品安全性提供可靠的試驗手段和技術(shù)支持，對于保障煤礦的安全生產(chǎn)和井下工作人員的安全具有重要的意義。

參考文獻

[1] 國家安全監(jiān)管總局 國家煤礦安監(jiān)局.關(guān)于進一步加強煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察工作的通知.〔2012〕130號

[2] 林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011

[3] 陳青，煤礦防爆高壓電器保護性能檢驗裝置[J].煤礦安全，2014（1），104～105

[4] 孟永鵬，賈申利，榮命哲.真空斷路器機械特性的在線監(jiān)測方法[J].高壓電器，2006，42（1）：31～34

[5] 同向前，寧大龍，夏偉.申明串聯(lián)IGBT的一種復(fù)合均壓方法[J].電工技術(shù)學(xué)報 2012（3），153-158