智能化組合開關(guān)在麻家梁煤業(yè)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張凱輝，胡亞芳，馬鵬飛

（1.同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000；2.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037003）

目前綜采工作面電氣設(shè)備已朝著高電壓、大功率、大運量、集成化、智能化方向發(fā)展[1-2]。工作面進(jìn)線電壓已達(dá)10 kV，工作面設(shè)備如采煤機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)等，供電電壓也達(dá)3 300 V。為保證工作人員安全，需要進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。工作面設(shè)備分布分散，并刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾設(shè)置的2部電動機(jī)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(shù)量少，勢必會增加移動變壓器使用數(shù)量和連接電纜的數(shù)量，造成資源的浪費，加之不同廠家生產(chǎn)的移動變壓器啟動方式不同，造成控制方式混亂，不利于設(shè)備管理。磁力啟動器操作復(fù)雜，可靠性低的缺點，已被逐步淘汰。組合開關(guān)因輸出回路數(shù)量多，電氣保護(hù)全面、靈敏，控制方式靈活、多樣和控制線路簡單等優(yōu)點被應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)過程中[3]。

1 組合開關(guān)供電系統(tǒng)組成

同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司14208綜放工作面采用2臺KJZ-2400/3300-9型九組合開關(guān)向工作面設(shè)備供電。其中1臺向后部刮板輸送機(jī)機(jī)頭、后部刮板輸送機(jī)機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)以及4臺乳化液泵供電。另外1臺向采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭、前部刮板輸送機(jī)機(jī)尾以及3臺噴霧泵供電。組合開關(guān)供電電路示意圖如圖1。

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

圖1中，組合開關(guān)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(guān)，每路隔離開關(guān)額定輸入電流為800 A，分?jǐn)嗄芰?0 kA，其中1臺隔離開關(guān)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(guān)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(jī)、后部刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾的每臺驅(qū)動電機(jī)功率為1 050 kW，采煤機(jī)裝機(jī)功率為1 915 kW，破碎機(jī)電機(jī)功率為400 kW，轉(zhuǎn)載機(jī)驅(qū)動電機(jī)采用高低速雙速電機(jī)，功率為600 kW，乳化液泵單臺電機(jī)功率為250 kW，噴霧泵單臺電機(jī)功率為132 kW。

2 組合開關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

組合開關(guān)采用CAN總線結(jié)構(gòu)[4]，CPU主控模塊通過內(nèi)部總線與各下位機(jī)連接。CPU主控模塊可實時對接觸器模塊、隔離開關(guān)模塊、鍵盤模塊以及外接設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制指令的發(fā)出。組合開關(guān)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 組合開關(guān)組成結(jié)構(gòu)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(zhì)安全電路連接。開關(guān)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(hù)、漏電閉鎖、漏電保護(hù)以及漏電閉鎖和漏電保護(hù)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(fā)生漏電保護(hù)故障后，照明綜合保護(hù)器將漏電閉鎖不能合閘，只有電網(wǎng)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(shè)備模塊可與工業(yè)以太網(wǎng)連接，以實現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程控制[5]以及設(shè)備內(nèi)部程序更新與上傳。通過CAN總線接口可將開關(guān)內(nèi)部電流數(shù)據(jù)傳至外部設(shè)備，實現(xiàn)不同設(shè)備間電流數(shù)據(jù)監(jiān)測。

3 組合開關(guān)系統(tǒng)

3.1 組合開關(guān)系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)

為了保證組合開關(guān)安全、穩(wěn)定、高效運行，每路接觸器均設(shè)計了完備的電氣保護(hù)功能[6]。

漏電閉鎖、漏電保護(hù)和高壓絕緣檢測3部分構(gòu)成了漏電保護(hù)裝置，三者相互配合完成漏電保護(hù)功能。漏電閉鎖在單組接觸器啟動前不間斷監(jiān)測負(fù)荷側(cè)絕緣狀態(tài)，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(fù)到正常值以后才可啟動。漏電保護(hù)在接觸器啟動后實時監(jiān)測負(fù)荷側(cè)絕緣狀態(tài)，若出現(xiàn)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(fù)荷側(cè)主電纜和電動機(jī)繞組上，采用微機(jī)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(nèi)部的集中性缺陷或受潮程度，更好反應(yīng)系統(tǒng)絕緣狀態(tài)。

不平衡保護(hù)、反時限電流保護(hù)、短路保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)構(gòu)成了組合開關(guān)的電流保護(hù)，不平衡保護(hù)可監(jiān)測負(fù)荷側(cè)發(fā)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(jī)和供電線路，采用可調(diào)短延時的方法進(jìn)行跳閘保護(hù)。

為防止供電線路因長期處于過負(fù)荷運行狀態(tài)產(chǎn)生過電流而引起的電機(jī)絕緣水平降低，從而導(dǎo)致電機(jī)使用壽命縮短，絕緣老化，甚至燒毀電機(jī)的后果。依據(jù)電機(jī)發(fā)熱和散熱數(shù)學(xué)模型[7]，通過數(shù)字信號處理器（DSP）采集電機(jī)繞組工作電流，模擬電機(jī)溫升變化，從而判斷電機(jī)的過載狀態(tài)。

為了防止負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路故障產(chǎn)生大電流而造成電纜或電機(jī)燒毀的事故，采用實時鑒幅式監(jiān)測[8]和速斷保護(hù)的方法動作于短路跳閘。由于工作面電機(jī)啟動過程中，具有較大的啟動電流，因此對短路保護(hù)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(hù)誤動作。

堵轉(zhuǎn)保護(hù)可實時監(jiān)測負(fù)荷側(cè)發(fā)生的電機(jī)轉(zhuǎn)子卡死或因電機(jī)負(fù)荷過大造成的低速運轉(zhuǎn)，采用實時鑒幅式檢測加定延時保護(hù)的方法，防止因該故障引起的過電流而燒毀電機(jī)和線路。電流保護(hù)控制流程圖如圖3。

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

圖3中，當(dāng)電機(jī)啟動時，組合開關(guān)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(jīng)過5 s后，若仍有1相電流為0，則開關(guān)報不平衡故障并跳閘。在啟動時限（10 s）內(nèi)，若啟動電流值I大于9倍額定電流IN，并且功率因數(shù)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(fā)短路保護(hù)并跳閘，。

電機(jī)正常運轉(zhuǎn)后，若電流值大于5倍且小于8倍額定電流時，則短路保護(hù)啟動，開關(guān)跳閘。如果電流值位于4倍到7倍額定電流時，經(jīng)5 s后電流值仍不變，則堵轉(zhuǎn)保護(hù)啟動，開關(guān)跳閘。

過載保護(hù)采用反時限過流保護(hù)，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(jī)溫度T超過130℃時，則開關(guān)報電機(jī)超溫并跳閘。電壓保護(hù)有過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)采用電壓互感器進(jìn)行電壓檢測，當(dāng)供電電壓高于最高電壓設(shè)定值或低于最低電壓設(shè)定值時過壓保護(hù)或欠壓保護(hù)投入運行并跳閘。

3.2 組合開關(guān)控制方式

組合開關(guān)具有靈活的控制方式，可根據(jù)不同需要進(jìn)行控制方式的設(shè)置，采煤機(jī)采用先導(dǎo)控制[9]，集中控制臺對工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)實現(xiàn)集中遠(yuǎn)程控制，乳化液泵和噴霧泵采用開關(guān)本地鍵盤控制。

由于采煤機(jī)運行及檢修過程中需要頻繁啟動和停機(jī)，而組合開關(guān)布置在工作面進(jìn)風(fēng)巷中，二者相距較遠(yuǎn)，因而采用預(yù)留在供電電纜中控制芯線與組合開關(guān)先導(dǎo)控制回路相連，以實現(xiàn)先導(dǎo)控制，先導(dǎo)控制方式示意圖如圖4。

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

圖4中，開關(guān)和大地構(gòu)成回路，采用1根控制線即可實對現(xiàn)采煤機(jī)的啟?？刂?，將30Ω電阻和啟動二極管放置在采煤機(jī)中，可以避免電纜和組合開關(guān)因控制線路短路而造成的誤啟動。開關(guān)內(nèi)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(guān)的安全性。相比于傳統(tǒng)的繼電器啟動方式，先導(dǎo)啟動方式彌補(bǔ)了低電壓情況下不易啟動和容易自行啟動的不足。

集中遠(yuǎn)程控制方式是將先導(dǎo)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(dāng)采用開關(guān)本地鍵盤控制方式時，本回路先導(dǎo)控制和集中遠(yuǎn)程控制不起作用。

3.3 組合開關(guān)運行方式

工作面設(shè)備的運行方式除了單電機(jī)啟動方式外，還有單速多電機(jī)運行方式和雙速單電機(jī)運行方式，這就需要組合開關(guān)根據(jù)運行方式進(jìn)行設(shè)計。

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

雙速單電機(jī)運行方式下，需設(shè)置參與控制的回路，聯(lián)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(shè)定的時間內(nèi)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(jī)直接以高速或者低速啟動。

4 結(jié) 語

KJZ-2400/3300-9型九組合開關(guān)具有集成度高、操作簡單、故障率低、維護(hù)方便等優(yōu)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(jìn)風(fēng)巷設(shè)備列車的長度，簡化了工作面設(shè)備供電線路和操作步驟，提高了設(shè)備集中控制率，因而提高了煤炭產(chǎn)量。預(yù)留的外部接口，可與地面調(diào)度控制中心直接互通，為下一步礦井智能化建設(shè)打下了堅實的基礎(chǔ)。