煤礦組合開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)研究

王進(jìn)超

(河南平煤神馬電氣股份有限公司，河南 平頂山 461700)

1 礦井低壓電網(wǎng)本安電路

1.1 本安電路的判定

爆炸性與非爆炸性判斷的方法就是對現(xiàn)有電路是否存在本質(zhì)安全進(jìn)行判斷的2種方法。其中，前者是采取目前所有的本安檢測設(shè)備來對現(xiàn)存的電路開展爆炸性試驗，后者則是借助目前所有的本安回路歸納理論來作出辨別。非爆炸性的判斷方法，屬于爆炸性的一種補充，最常見的就是判別式與臨界點燃曲線。若所具有的條件不滿足爆炸判斷的要求，則需要采取非爆炸性的方法，其具有簡便、效率較高等特點。

1.2 繼電器隔離方式的本安先導(dǎo)電路原理

礦井內(nèi)部含有大量的易爆物質(zhì)，如粉塵、瓦斯。隨著防爆及微機(jī)等技術(shù)的日益發(fā)展及完善，為了保證人員安全，大部分礦井在生產(chǎn)過程中設(shè)計成本安先導(dǎo)電路，選擇與其相關(guān)的組合開關(guān)有效控制礦井中各個設(shè)備的運行。但應(yīng)當(dāng)注意的是，在運用這種電路時應(yīng)當(dāng)重視其外部電路所產(chǎn)生的影響。為了避免本安電路受到外部電路的能量影響導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生，常采取機(jī)械式、電氣式2種隔離方法。機(jī)械式指的是將兩者之間的距離進(jìn)行擴(kuò)大，以加強絕緣強度，促使外部電路得到有效隔離。電氣式指的是借助電氣設(shè)備自身所具有的隔離性能來對相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行隔離，如光電耦合器等。

2 礦井低壓電網(wǎng)漏電故障分析

漏電保護(hù)的作用在于迅速判斷出系統(tǒng)產(chǎn)生的漏電故障，并迅速做出反應(yīng)加以保護(hù)，對供電回路進(jìn)行有效閉鎖，以避免系統(tǒng)因故障導(dǎo)致的火花而出現(xiàn)瓦斯爆炸問題。對漏電故障加以保護(hù)的方法較多，但都不完善，需要加以改善與優(yōu)化。對于一些應(yīng)用中性點不接地的系統(tǒng)，所采取的保護(hù)方法主要有以下3種。

2.1 附加直流電源法

在電網(wǎng)產(chǎn)生漏電故障的時候，通過對直流通路中產(chǎn)生的電流變化進(jìn)行檢測，促使三相電網(wǎng)對所產(chǎn)生的絕緣電阻實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的動作值，確保電氣設(shè)備系統(tǒng)瞬時斷電，從而對漏電故障進(jìn)行有效的檢測與保護(hù)。根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，我國礦井工作人員最大的觸電電流為30 mA，以便在發(fā)生漏電故障時對工作人員加以保護(hù)。當(dāng)電氣設(shè)備存在的絕緣電阻值小于漏電閉鎖發(fā)生的動作值時，設(shè)備就無法閉鎖。所以漏電保護(hù)所具有的閉鎖數(shù)值通常要設(shè)定為漏電動作值的2倍。應(yīng)當(dāng)重視的是，這種方法不具有選擇性，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行完善。

2.2 零序電流法

系統(tǒng)運行正常時，在受到各個相電壓的影響下會出現(xiàn)電容電流，但是因為三相相互對稱，電容和是零。同時，通過對電力網(wǎng)絡(luò)的接線圖進(jìn)行分析可知，當(dāng)線路出現(xiàn)單相接地短路時，發(fā)生故障一相的線路中流過的電流屬于非故障相的電流之和，因此，可以通過對線路中的電流進(jìn)行檢測來辨別出是否產(chǎn)生了漏電故障。應(yīng)當(dāng)注意的是，這種方法會因電阻數(shù)值較大而對故障相存在的電流產(chǎn)生影響，不能對線路中的對地電容電路進(jìn)行檢測，導(dǎo)致其無法對發(fā)生故障的線路進(jìn)行有效區(qū)分。

2.3 零序功率方向法

該方法是對零序電流法的完善，適用于線路較為復(fù)雜和零序電流法無法達(dá)到靈敏度要求的網(wǎng)絡(luò)。其原理在于運用檢測到的故障相與其他兩個相的零序功率不相同來進(jìn)行辨別，即經(jīng)由故障線路流入到母線的零序電流，其電容性無功功率所具有的方向與正常線路的方向正好相反。

3 基于組合開關(guān)的礦井低壓電網(wǎng)保護(hù)

組合開關(guān)包含了單極、雙極、三極、四極4種類型。在控制線路中，可以采取直接運行或者推動電機(jī)的正向及反向運行等。礦井所用的隔爆型組合開關(guān)可以對三相交流電機(jī)的運行及停止進(jìn)行控制，也可以與漏電繼電器結(jié)合完成漏電保護(hù)。以下針對電壓、短路和過載3種保護(hù)開展研究，針對以組合開關(guān)為基礎(chǔ)的低壓電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 組合開關(guān)對電壓保護(hù)

就電力系統(tǒng)來講，當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓小于額定值時，若負(fù)荷不產(chǎn)生變化，將會出現(xiàn)過電流，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生故障，而且與之相對應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)動速率將會降低。若同一時間出現(xiàn)多個啟動電機(jī)，將會導(dǎo)致電機(jī)無法正常啟動。由此可知，當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓小于額定值時，電機(jī)將會受到損壞。

過電壓通常存在穩(wěn)態(tài)型、暫態(tài)型2種形式。不管是何種類型的過電壓，電力系統(tǒng)都必須針對過壓設(shè)置較強的保護(hù)功能，以避免電網(wǎng)出現(xiàn)漏電。應(yīng)當(dāng)重視的是，與欠電壓相對比，過電壓所造成的危害相對較小，由于電機(jī)是處于額定負(fù)載值下啟動運行的，隨著電壓的不斷降低，最大電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值將會持續(xù)降低，直至低于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的額定值，最終會導(dǎo)致停機(jī)。因此，可以利用電流互感器對電網(wǎng)的電壓進(jìn)行檢測，判斷其是否處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，并借助組合開關(guān)實施解鎖，對低壓電網(wǎng)的電壓實施保護(hù)，促使電氣設(shè)備運行具備較強的穩(wěn)定性。

3.2 組合開關(guān)對短路保護(hù)

當(dāng)異步電機(jī)可以正常啟動時，其短路和啟動2種電流的數(shù)值基本一致，保護(hù)無法有效辨別出電流的類型。尤其是動作值設(shè)定較大時，系統(tǒng)產(chǎn)生了三相短路后，保護(hù)將會出現(xiàn)拒動。因此，作為礦井中最常見的一種故障，在發(fā)生短路故障時，對其電流類型進(jìn)行正確辨別是開展短路保護(hù)的核心。

目前，短路保護(hù)最常用的方法主要有：①8 s返回法。如果在8 s內(nèi)可以將電流值控制在正常范圍內(nèi)，則判斷其為正常啟動電流；若無法在8 s內(nèi)恢復(fù)正常數(shù)值，則可判斷為短路故障。②針對動作電流做出分段式處理，為了將啟動和短路2種電流進(jìn)行有效區(qū)分，在啟動電機(jī)時，短路電流所需要的動作值需要設(shè)定為額定電流的5～8倍，對異步電機(jī)在啟動時所形成的大電流進(jìn)行充分考慮，在完成啟動后將動作值設(shè)定為正常數(shù)值，以開展短路保護(hù)。

3.3 組合開關(guān)對過載保護(hù)

過載指的是輸出功率的數(shù)值突然劇增，其數(shù)值超出了標(biāo)準(zhǔn)值，如果不對其進(jìn)行保護(hù)，各個設(shè)備的電路就會受到損壞，甚至產(chǎn)生一些安全事故。處于復(fù)雜環(huán)境下，各個設(shè)備會出現(xiàn)較大的電流，其原因在于電網(wǎng)產(chǎn)生過載、短路等問題，因此必須密切注意這些狀況。盡管過載電流要高出正常電流，但是其數(shù)值要低于短路電流，因此，其對系統(tǒng)及電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響也要小于短路電流。但是，若電纜線長時間處于過載狀態(tài)下，其必定會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，最終會被燒毀，甚至導(dǎo)致爆炸，因此，針對超過額定功率的低壓電網(wǎng)必須實施過載保護(hù)。通過對這類保護(hù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其是以反時限保護(hù)為基礎(chǔ)，一旦時間超出保護(hù)值，組合開關(guān)就需要斷開電源。

4 結(jié)語

組合開關(guān)主要應(yīng)用于礦井產(chǎn)生故障后發(fā)生火花時，因此，本安先導(dǎo)電路的設(shè)置尤為重要。通過對有效判別低電壓電網(wǎng)中的本安電路及繼電器隔離條件下的電路原理的詳細(xì)闡述，并依據(jù)漏電故障的分析，以電壓、短路及過載三方面的保護(hù)為切入點，對以組合開關(guān)為基礎(chǔ)的低電壓電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行介紹，明確穩(wěn)定、全面及自動化的組合開關(guān)能為我國礦井生產(chǎn)的安全性提供更好的服務(wù)。