礦用智能高壓配電裝置用電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

王 強(qiáng)

(山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 王莊煤礦機(jī)電中心,山西 長(zhǎng)治 046302)

隨著礦井智能化水平的不斷提升,對(duì)于礦井智能供電的要求隨之提高。國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)測(cè)局印發(fā)《關(guān)于減少井下作業(yè)人數(shù)提升煤礦安全保障能力的指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知[安監(jiān)總煤行(2016) 64號(hào)]提出: “大力推進(jìn)機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化,實(shí)施井下機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控、推廣應(yīng)用智能監(jiān)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)、變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人值守”。目前現(xiàn)代化礦井正在積極推進(jìn)井下固定硐室無(wú)人值守,井下變電所內(nèi)不設(shè)置固定運(yùn)行維護(hù)值班崗位,遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程操作由地面遠(yuǎn)方監(jiān)控主站完成,礦用高壓配電裝置作為井下供電系統(tǒng)的入口是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的關(guān)鍵供電設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)井下變電所無(wú)人值守,需要將原來(lái)人工就地操作及就地監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目,由設(shè)備在遠(yuǎn)方甚至地面人員的監(jiān)控下安全可靠地替代人工自主完成。首先,目前傳統(tǒng)的礦用高壓配電裝置具備一定的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能,能夠監(jiān)測(cè)高壓配電裝置的電壓、電流、故障、絕緣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、功率測(cè)量等參數(shù),并且通過(guò)光纖等上傳至地面,無(wú)人值守時(shí),應(yīng)增加重點(diǎn)監(jiān)測(cè)隔離觸頭處高壓大電流通過(guò)時(shí)發(fā)熱狀態(tài),隔離觸頭處發(fā)熱、拉弧、燒觸頭是主要存在的隱患;其次傳統(tǒng)的礦用高壓配電裝置能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行斷路器合分閘操作,但是斷路器隔離小車合分閘、接地刀合分閘需就地操作,無(wú)人值守必須實(shí)現(xiàn)斷路器隔離小車合分閘、接地刀合分閘遠(yuǎn)程控制,使得緊急狀況下可以遠(yuǎn)程隔離分閘避免事故擴(kuò)大化。斷路器隔離小車合分閘、接地刀合分閘的電動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是井下無(wú)人值守關(guān)鍵,因此設(shè)計(jì)了電動(dòng)隔離盤車和電動(dòng)接地刀等電動(dòng)裝置,并進(jìn)行電氣邏輯設(shè)計(jì)[1-2]。

1 礦用智能高壓配電裝置電動(dòng)隔離設(shè)計(jì)

目前礦用高壓配電裝置內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)不是傳統(tǒng)意義上刀閘開(kāi)關(guān),而是斷路器小車通過(guò)斷路器連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車的進(jìn)退,實(shí)現(xiàn)進(jìn)線和出線動(dòng)觸頭(統(tǒng)稱動(dòng)觸頭)與腔體隔板上安裝的梅花靜觸頭之間的插入與拔出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合閘和分閘功能[3]。

實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人值守,斷路器小車進(jìn)行隔離合分閘的操作就必須能夠遠(yuǎn)程控制其電動(dòng)操作,目前的斷路器連桿機(jī)構(gòu)為人工操作,需要更換設(shè)計(jì)。

圖1 礦用高壓配電裝置隔離觸頭示意

1.1 電動(dòng)隔離盤車設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)礦用高壓配電裝置隔離,連桿機(jī)構(gòu)受現(xiàn)有的有限空間限制,無(wú)法通過(guò)安裝電機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn),因此將原來(lái)的連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)斷路器小車進(jìn)退設(shè)計(jì)為電動(dòng)底盤車帶動(dòng)斷路器小車進(jìn)退車,如圖2所示。

如圖2所示,斷路器安裝在電動(dòng)底盤車上,其進(jìn)車和退車由電動(dòng)底盤車上的機(jī)構(gòu)帶動(dòng)斷路器前后運(yùn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)礦用高壓配電裝置的隔離開(kāi)關(guān)的功能。電動(dòng)底盤車具有手動(dòng)操作和遠(yuǎn)程電動(dòng)操作功能。

圖2 電動(dòng)隔離盤車結(jié)構(gòu)示意

電動(dòng)底盤車結(jié)構(gòu)如圖3所示,斷路器安裝在電動(dòng)底盤車車架上,地面遠(yuǎn)程發(fā)出進(jìn)退車命令至保護(hù)器,然后傳至電動(dòng)綜合保護(hù)裝置,控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)離合器驅(qū)動(dòng)減速器,減速器輸出端帶動(dòng)鏈條旋轉(zhuǎn),鏈條和齒輪副上的一個(gè)齒輪同軸安裝帶動(dòng)齒輪副旋轉(zhuǎn),齒輪副上另一齒輪同絲杠同軸安裝帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),螺母同車架固定,在絲杠旋轉(zhuǎn)的反作用力下帶動(dòng)車架前進(jìn)和后退,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)底盤車前后運(yùn)動(dòng),完成斷路器的電動(dòng)隔離功能。輔開(kāi)連桿連接絲杠和輔開(kāi),實(shí)現(xiàn)絲杠到位信號(hào)的傳輸,輔開(kāi)連桿動(dòng)作,輔開(kāi)常開(kāi)和常閉點(diǎn)動(dòng)作,輸出返回信號(hào)至盤車控制,作為位置和保護(hù)信號(hào)傳輸。

圖3 電動(dòng)底盤車機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

1.2 電動(dòng)隔離底盤車的保護(hù)功能

電動(dòng)隔離底盤車在進(jìn)車和退車的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)線路破損、過(guò)載、機(jī)絲杠卡死等故障,為確保底盤車正常運(yùn)行,應(yīng)有一定的保護(hù)功能。

1.2.1 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

電動(dòng)盤車由于制造公差和受力情況下造成絲杠扭曲鎖死,電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn),直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子在被卡死或長(zhǎng)時(shí)間低速工作時(shí),常伴隨大量熱量的產(chǎn)生,造成電機(jī)繞組過(guò)熱,進(jìn)而引起定子絕緣老化,縮短直流電機(jī)的使用壽命,甚至燒毀電機(jī)。因此,應(yīng)當(dāng)設(shè)置電機(jī)電流的閾值(閾值的大小與斷路器的重量、觸頭的插拔力通過(guò)試驗(yàn)獲得),超過(guò)該值應(yīng)當(dāng)立即停車并報(bào)故障至主機(jī)[4]。

1.2.2 過(guò)流保護(hù)

通過(guò)電動(dòng)底盤電機(jī)的電流應(yīng)符合電機(jī)的額定值,超過(guò)額定值時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷,從而起到保護(hù)電機(jī)的功能。電動(dòng)底盤小車開(kāi)關(guān)動(dòng)作到位后(即斷路器處于合閘位置或分閘位置時(shí))電機(jī)電源回路應(yīng)能自動(dòng)切斷,從而防止小車開(kāi)關(guān)因過(guò)位而損壞開(kāi)關(guān)柜,也能有效防止電機(jī)因過(guò)流而損壞。過(guò)流保護(hù)電流應(yīng)根據(jù)斷路器型號(hào)及運(yùn)行路程分段設(shè)置,如630 A/10 kV斷路器搖入時(shí),過(guò)程前15 s為進(jìn)車至動(dòng)靜觸頭接觸前,電流設(shè)置1.2 A,動(dòng)靜觸頭接觸至停車電流設(shè)置5 A;搖出時(shí),動(dòng)靜觸頭接觸至分開(kāi)電流設(shè)置5 A,動(dòng)靜觸頭分開(kāi)繼續(xù)后退至停車位置,電流設(shè)置1.2 A.這里電動(dòng)隔離合分閘操作是動(dòng)靜觸頭插入和拔出的過(guò)程,所以電路增大,具體閾值受電動(dòng)隔離結(jié)構(gòu)、重量及觸頭結(jié)構(gòu)影響需要試驗(yàn)確定。

1.2.3 狀態(tài)異常保護(hù)

電動(dòng)隔離盤車出車過(guò)程中,如果斷路器在合閘位,則立即停止并反向運(yùn)動(dòng)15 ms(時(shí)間可設(shè)置);進(jìn)車過(guò)程中,若斷路器處合閘位或接地刀合閘,則立即停車。避免出現(xiàn)帶電進(jìn)行隔離合分閘操作、避免接地狀態(tài)下合閘。

2 礦用高壓配電裝置電動(dòng)接地刀設(shè)計(jì)

井下無(wú)人值守變電所不設(shè)固定的運(yùn)行維護(hù)人員,就要求運(yùn)行維護(hù)人員按規(guī)程操作,同時(shí)要求設(shè)備本質(zhì)安全,接地裝置能夠去除斷電設(shè)備的感應(yīng)電壓以及防止斷電狀態(tài)下誤送電,確保工人始終在斷電狀態(tài)檢修設(shè)備。

2.1 電動(dòng)接地刀設(shè)計(jì)

如圖4所示,出線支柱依靠銅排硬性連接礦用高壓配電裝置出線側(cè),設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),出線支柱連接負(fù)荷側(cè)通電,接地觸頭及導(dǎo)線與出線連接支柱斷開(kāi),避免出線接地;當(dāng)工人需要斷電開(kāi)門就地檢修,或者在無(wú)人值守時(shí)線路故障需要遠(yuǎn)程合閘接地刀,將故障電流接地以保護(hù)設(shè)備和人身安全時(shí),地面遠(yuǎn)程操作發(fā)出命令至保護(hù)器傳至電動(dòng)綜合保護(hù)裝置,電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪副,齒輪副帶動(dòng)接地觸頭及導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)克服分閘彈簧的拉力與出線連接支柱相連,出線側(cè)接地,反之亦然。

圖4 電動(dòng)接地刀機(jī)械示意

2.2 電動(dòng)接地刀保護(hù)功能

2.2.1 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

電動(dòng)接地刀在進(jìn)行合分閘操作時(shí),電機(jī)運(yùn)行可能因?yàn)榻拥氐侗旧淼臋C(jī)械故障而造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn),引發(fā)繞組電流的快速上升,從而引起絕緣材料的溫度升高。堵轉(zhuǎn)電流的閾值與產(chǎn)品結(jié)構(gòu),特別是分閘彈簧和分閘觸頭的結(jié)構(gòu)相關(guān),選用通過(guò)試驗(yàn)獲得。

2.2.2 過(guò)流保護(hù)

電動(dòng)接地刀在旋轉(zhuǎn)合閘的過(guò)程中,由空轉(zhuǎn)至合閘的過(guò)程,電路的過(guò)流保護(hù)的閾值需要分段標(biāo)定。如我公司630 A/10 kV礦用高壓配電裝置,電動(dòng)空轉(zhuǎn)合閘過(guò)程前4 s,設(shè)置為3 A,開(kāi)始合閘時(shí)設(shè)置為1.2 A;分閘過(guò)程前4 s設(shè)置為3 A,后面時(shí)間設(shè)置為1.2 A.電流分段時(shí)間及閾值,需要根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)獲得。

2.2.3 狀態(tài)異常保護(hù)

電動(dòng)接地刀合閘時(shí),如果斷路器合閘,或者電動(dòng)隔離小車合閘,則立即停車;電動(dòng)接地刀分閘時(shí),如果斷路器合閘,或者電動(dòng)隔離小車合閘,則也應(yīng)立即停車。

3 電動(dòng)裝置的電氣邏輯控制設(shè)計(jì)

由于需要遠(yuǎn)程電動(dòng)操作,為滿足電氣五防要求,避免電氣安全事故,智能礦用高壓配電裝置的斷路器、電動(dòng)隔離盤車及電動(dòng)接地刀三者之間應(yīng)有一定的電氣互鎖邏輯設(shè)計(jì)。電氣五防要求具體如下:

1) 防止誤分、誤合斷路器。

2) 防止帶負(fù)荷合、分隔離開(kāi)關(guān)。

3) 防止帶電合接地開(kāi)關(guān)。

4) 防止合接地開(kāi)關(guān)(帶接地線)合斷路器。

5) 防止誤入帶電間隔[6]。

斷路器、電動(dòng)隔離盤車及電動(dòng)接地刀的狀態(tài)通過(guò)無(wú)源輔組開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)傳至控制器進(jìn)行判斷,具體邏輯關(guān)系如圖5～圖7所示。

圖5 電動(dòng)隔離底盤車進(jìn)車邏輯

電動(dòng)控制器主控板接收到遠(yuǎn)方或就地電動(dòng)底盤車或電動(dòng)接地刀的控制指令時(shí),先判斷是否滿足操作條件,如果滿足操作條件,則啟動(dòng)閉鎖斷路器及其它設(shè)備的控制指令,并啟動(dòng)電動(dòng)隔離底盤車或電動(dòng)接地刀及其電機(jī)電流監(jiān)測(cè),并將電機(jī)電流值與記錄的正常值進(jìn)行比較,判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

圖6 電動(dòng)隔離底盤車出車邏輯

圖7 電動(dòng)接地刀合分邏輯

4 輔助監(jiān)控

為確保井下無(wú)人值守變電所礦用智能高壓配電裝置進(jìn)行合分閘操作的可靠性,使得遠(yuǎn)程(地面)操作人員有種“親臨現(xiàn)場(chǎng)、身臨其境”的可靠操作感覺(jué),應(yīng)當(dāng)在其腔體內(nèi)部增加視屏監(jiān)控或熱成像儀,如圖8所示。

圖8 視頻監(jiān)控及熱成像儀畫面

觸頭視頻監(jiān)控,能夠?qū)⒁曨l發(fā)送至系統(tǒng),配合電動(dòng)盤車遠(yuǎn)程合分閘,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守變電所遠(yuǎn)程操作如同工人就地操作,實(shí)時(shí)監(jiān)控觸頭嚙合狀況,確保停電和送電可靠性。

動(dòng)靜觸頭嚙合關(guān)鍵部位安裝雙光譜在線測(cè)溫?zé)嵯駜x,集可見(jiàn)光和熱成像圖像為一體光探測(cè)器,全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度,發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警提醒,協(xié)助遠(yuǎn)程人員快速定位隱患點(diǎn)。真正實(shí)現(xiàn)井下安全可靠的無(wú)人值守。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

圖9為礦用智能高壓配電裝置示意,與普通礦用高壓配電裝置比較,礦用智能高壓配電裝置的電動(dòng)隔離盤車和電動(dòng)接地刀電動(dòng)裝置的設(shè)計(jì),能夠接受遠(yuǎn)程控制,替代原來(lái)人工就地手動(dòng)操作的項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守遠(yuǎn)程控制,是井下固定硐室智能化無(wú)人值守的關(guān)鍵。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在潞安化工集團(tuán)高河能源等礦井應(yīng)用。電動(dòng)隔離盤車和電動(dòng)接地刀的設(shè)計(jì)也可以使用在綜采面和掘進(jìn)面的移動(dòng)變電站設(shè)備及其他電氣設(shè)備,真正代替人手動(dòng)操作,安全、實(shí)用、可靠,具有很好的推廣前景。

圖9 礦用智能高壓配電裝置