10 kV級(jí)高壓隔爆本安型軟啟動(dòng)器在煤礦井下的應(yīng)用

吳澤榮

（挖金灣煤業(yè)公司電訊科， 山西 大同 037042）

引言

由于煤礦開采環(huán)境復(fù)雜，很多企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，紛紛采購(gòu)現(xiàn)代化開采機(jī)器。目前，應(yīng)用比較廣泛的電機(jī)設(shè)備為鼠籠電動(dòng)機(jī)[1]。該電動(dòng)機(jī)可以在空氣潮濕、惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，但是由于頻繁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，增加了負(fù)荷波動(dòng)幅度，從而對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。為了降低頻繁啟動(dòng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行造成的影響，本文采將10 kV級(jí)高壓隔爆本安型軟啟動(dòng)器應(yīng)用到實(shí)際開采現(xiàn)場(chǎng)展開詳細(xì)研究。

1 高壓隔爆本安型軟啟動(dòng)器的電路組成與工作原理

該設(shè)備主要由本質(zhì)安全型與隔爆型組成，其控制線路與主線路的安裝位置均在隔爆外殼，以滿足隔爆要求，除了具有較強(qiáng)的隔爆性以外，其耐爆性也較強(qiáng)[2]。另外，軟啟動(dòng)器可以實(shí)時(shí)控制信號(hào)，提高了電機(jī)運(yùn)行的安全性。如果線路發(fā)生故障，將產(chǎn)生能量非常小的電火花，不會(huì)發(fā)生煤塵與瓦斯點(diǎn)燃現(xiàn)象。

軟啟動(dòng)器采用電子技術(shù)與微處理技術(shù)，形成一種新型電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)器，不僅能夠降低啟動(dòng)機(jī)械的應(yīng)力，還可以降低電機(jī)啟動(dòng)電流，具備高安全性保護(hù)功能。該裝置的啟動(dòng)方式主要有兩種，分別是軟啟動(dòng)方式與直接啟動(dòng)方式[3]。前者應(yīng)用較多的控制方式為電壓斜坡控制方式、限流控制方式，具備報(bào)警指示、雙參數(shù)控制、電壓控制、可編程低速電動(dòng)控制等功能。

軟啟動(dòng)器具有較強(qiáng)的過負(fù)載能力，工作頻率在45～66 Hz之間，支持電壓波動(dòng)范圍在+10%～-25%，如圖1所示。

啟動(dòng)器的主開關(guān)器件設(shè)置在主電路上，采用單向晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)到電路中，通過改變晶閘管的開通相位來調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)器的輸出電壓，如圖2所示。

圖1 裝置工作原理圖

圖2 軟啟動(dòng)器的主電路原理圖

2 軟啟動(dòng)器在煤礦井下的應(yīng)用分析

2.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于陜西省榆林市神木縣，投資公司為中國(guó)神華能源股份有限公司，總井田面積可達(dá)169.7 km2，設(shè)置了7個(gè)采煤層，預(yù)計(jì)年生產(chǎn)原煤800萬t。本次研究將軟啟動(dòng)器安裝在煤礦井下來控制電機(jī)的啟動(dòng)，從而為煤礦供電系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障。

2.2 裝置線路連接

2.2.1 主線路連接

軟啟動(dòng)器主線路采用三相交流電源進(jìn)行供電，電源裝置通過自動(dòng)空氣短路器與軟啟動(dòng)器的T端、S端、R 端相連；W、V、U端與 L13、L12、L11端之間通過旁路接觸器KM主觸點(diǎn)相互連接；為了實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行過程中的電流，在 L13、L12、L11端與 T、S、R 端之間采用電流互感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量；電機(jī)的外圍接口分別與W、V、U端相連。軟啟動(dòng)器自身具有較高的安全性，其內(nèi)部的電子式電機(jī)過電流保護(hù)裝置可以防止電流過大，對(duì)電機(jī)造成損壞。

2.2.2 控制線路連接

軟啟動(dòng)器控制線路中的旁路接觸器線圈通過其內(nèi)部的熔斷器與旁路的繼電器常開觸點(diǎn)與交流電源連接。該裝置的12號(hào)端子及11號(hào)端子與測(cè)量范圍在0～20 mA之間的直流電表外接，主要用于檢測(cè)電機(jī)電流。6號(hào)端子與5號(hào)端子作為故障輸出端子，如果軟啟動(dòng)器在運(yùn)行過程中發(fā)生故障或者供電線路異常閉合的情況下，這兩個(gè)端子輸出的信號(hào)可以作為控制信號(hào)、故障預(yù)警信號(hào)。4號(hào)端子、3號(hào)端子為多功能編程輸出端子，可以將其作為線路工作狀態(tài)下產(chǎn)生信號(hào)或者多功能定時(shí)器產(chǎn)生信號(hào)的輸出端子。根據(jù)煤礦開采功能需求，本次研究將上述輸出端子進(jìn)行靈活組合，設(shè)計(jì)出一個(gè)應(yīng)用控制電路，如圖3所示。

圖3 軟啟動(dòng)器外圍電路連接原理圖

2.3 泵模式、硬啟動(dòng)、脈沖啟動(dòng)應(yīng)用效果分析

為了保證設(shè)備可以長(zhǎng)期無故障連續(xù)運(yùn)行，本次研究除了采取軟啟動(dòng)方式以外，在開采裝置系統(tǒng)內(nèi)部還設(shè)置了硬啟動(dòng)、脈沖啟動(dòng)與泵控。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為：采取“一拖多電機(jī)”設(shè)計(jì)思想，線路中設(shè)置3臺(tái)1 000 kW電機(jī)拖動(dòng)水泵，每一個(gè)高壓線路均配備一個(gè)供電電源，這樣每一臺(tái)軟啟動(dòng)器可以有多個(gè)電源提供電能，從而實(shí)現(xiàn)雙調(diào)節(jié)。另外，本次設(shè)計(jì)還設(shè)置了兩套不同特性的電機(jī)，根據(jù)實(shí)際工程情況，開啟其中一臺(tái)電機(jī)即可。這種設(shè)計(jì)能夠降低成本，有助于后期維護(hù)操作。

將該裝置投入到實(shí)際工程中應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)試泵控程序，可以同時(shí)控制3條扭矩曲線與電壓斜坡曲線，依據(jù)實(shí)際工程情況，做出準(zhǔn)確的選擇，從而達(dá)到減小峰值扭矩的目的。通過曲線的選取來有效控制電機(jī)的運(yùn)行，以此防止電機(jī)突然停止工作，出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。如圖4所示為斜坡軟啟動(dòng)與限流啟動(dòng)控制的測(cè)試效果圖，經(jīng)過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電流斜坡軟啟動(dòng)效果更好一些，且對(duì)于特殊負(fù)載情況的應(yīng)用效果較好。

通過觀察圖4中左側(cè)曲線效果圖，可將其看作兩段不同的曲線，如式1所示。

圖4 斜坡軟啟動(dòng)與限流啟動(dòng)控制的測(cè)試效果圖

式中：q為斜坡軟啟動(dòng)點(diǎn)；t為裝置運(yùn)行時(shí)間；y為電壓百分?jǐn)?shù)/電流百分?jǐn)?shù)；k、b為常數(shù)；p為斜坡軟啟動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓百分?jǐn)?shù)。

通過觀察圖4中右側(cè)曲線效果圖，可將其看作兩段不同的曲線，如式2所示。

式中：q為限流啟動(dòng)點(diǎn)；t為裝置運(yùn)行時(shí)間；y為電壓百分?jǐn)?shù)/電流百分?jǐn)?shù)；k、b為常數(shù)；p為t-δ時(shí)刻下對(duì)應(yīng)的電壓百分?jǐn)?shù)。

2.4 應(yīng)用結(jié)果分析

將多次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，可以得到該裝置在1 024 h運(yùn)行時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生故障的次數(shù)，將其與傳統(tǒng)啟動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 軟啟動(dòng)器與傳統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生故障次數(shù)對(duì)比表

通過觀察表1中的數(shù)據(jù)可知軟啟動(dòng)器在煤礦井下的應(yīng)用效果較好，與傳統(tǒng)啟動(dòng)方式相比，降低了50%以上的故障率，可以廣泛應(yīng)用。

3 軟啟動(dòng)器安裝接線注意事項(xiàng)

為了將軟啟動(dòng)器的作用全部發(fā)揮出來，在接線過程中需要注意的事項(xiàng)如下：

1）連接控制盒與可控硅之間的線路，并用萬用表測(cè)試電阻，如果該阻值低于100 kΩ，則立即更換電阻，保證其在規(guī)定值以上。

2）該裝置的 L13、L12、L11為進(jìn)線端，分別與前一級(jí)的開關(guān)相連接，W、V、U為出線端，這些接口需要與電動(dòng)機(jī)相連接。

3）當(dāng)前使用比較多的軟啟動(dòng)器，其電壓設(shè)置主要有兩種，分別是1 140 V、660 V?？蛻艨梢愿鶕?jù)實(shí)際情況選取合適的電壓等級(jí)，要求軟啟動(dòng)器銘牌上標(biāo)注的額定電流高于被控制電機(jī)的額定電流。

4 結(jié)語

運(yùn)用10 kV級(jí)高壓隔爆本安型軟啟動(dòng)器，可最大限度地清除高壓大功率泵啟動(dòng)和關(guān)閉系統(tǒng)的機(jī)械沖擊，消除設(shè)備啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)的影響，值得被廣泛運(yùn)用于地下煤炭開采行業(yè)。

[1] 佚名.QJGR系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓真空交流軟啟動(dòng)器[J].工礦自動(dòng)化，2015（9）：92.

[2] 陳中洋，呂朝帥，趙文艷.355機(jī)座號(hào)10 kV高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)試制討論[J].電氣防爆，2015（3）：10-13.

[3] 方章英.基于礦用隔爆兼本質(zhì)安全型軟啟動(dòng)器研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2014，35（1）：171-173.