煤矿大容量防爆产品接通与开断检验技术研究

邵明杰

【摘要】 随着科技的飞速发展，煤矿电器设备的容量和智能化水平不断提高。本文在分析煤矿防爆产品发展形势和相关国家及行业标准的基础上，确定煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置的总体设计方案，并分别设计检验装置试验线路、飞弧检测电路、电压和电流检测电路。实践应用表明：该设计能够满足煤矿大容量防爆产品接通与开断检验技术要求，试验装置具有测量精度高、稳定性好、安全可靠等优点。

【关键词】 煤矿 大容量 接通与分断 检验

一、前言

煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置，是衡量煤矿用防爆电器产品实验室能

力重要标志性的试验设备。它是煤矿防爆电器产品试验必不可少的试验设备。因此，设计完成从事大容量煤矿用防爆电器产品安全性接通和分断能力检验装置，是国家级实验室必须具备检验能力标志，是保障我国煤矿的安全生产及供电系统的安全重要检验手段。

二、煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置总体设计方案

煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置主要由以下十部分组成：高压开关柜组，额定容量4500 kVA、型式容量25000 kVA、短路阻抗1.8%的冲击试验变压器，三组交流前级、后级负载阻抗，自动控制与微机数据采集试验装置，保护装置，陪试装置，电压换接装置，操作控制试验台，母线和试验架构成。煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置由一台额定电压10/1.14kV（0.66kV、0.38kV） 、额定容量3500kVA、型式容量25000kVA、冲击试验变压器作为总电源输出，变压器电源输出通过电压换接装置转换成3.3kV/1.14 kV /0.66 kV三组输出电压，采用刀闸切换改变冲击变压器输出端的串、并联及星、三角转换，从而实现冲击变压器二次侧的电压调整， 试验总体框图如图1所示[4]。

与开断试验检验装置试验总体框图根据实验要求进行电压输出；电压换接装置输出实验电压后进行入低保装置；低保装置的功能是在出现试验故障和异常时切断输出，保护阻抗装置和试品，低保中主要器件是一个GN22-12C/3150高压隔离开关和ZN60A-12/3150高压真空断路器；转换装置可根据试品的类型进行前、后级阻抗的切换；陪试装置的主要功能是根据试验程序进行合闸、分闸；前、后级负载阻抗是根据试验所需参数进行电抗、电阻的调节，满足试品的模拟负载条件。电抗器用无磁性材料的空芯电感线圈构成，每相有8个电抗元件串级组成，调节细度符合电流偏差不大于5%的要求，设计级差按Z5%=3.029uh。电阻器采用高温电阻合金（0Cr25Al5），温度系数5×10-5/℃，每相有32组元件串并联构成，调节细度符合Cosφ偏差不大于±0.05，即最小级差：△R=0.21965mΩ。

控制与微机数据采集试验装置，能实现远距离控制、操作和数据的时时采集，利用计算机和PLC的功能进行数据自动采集和处理将高频暂态过程用数据和图表的形式展示出来，实现开关电器试验的自动化和可视化。数据采集系统硬件由线性光隔离放大器、通道板和计算机硬件平台构成。其中通道板由4个高频通道和12个低频通道组成，高频通道用来采集电弧熄灭瞬间开关触头两端或熔断器两端的过电压，低频通道利用PLC的高精度A/D模块和继电器接点控制模块实现采集电压、电流信号的全过程数据。计算机辅助检测数据管理系统能够实现测量时间精度可达+0.5ms；电流测量精度+1.5%；选相开关及角度精度+1度；能可靠快速接通和关断试验电流、最短切换时间10ms。

煤矿用大容量防爆电器所控制的负载都是接在开关的后面，所以模拟实际负载的阻抗也应该接在被试电器后面。这样，试验过程中触头间存在电弧时，被试电器各极间的电压将接近于电路的额定电压，使产生相间飞弧的情况下，被试电器各极间的电压将接近于电路的额定电压，使产生相间飞弧的条件接近与实际情况[5]。但在试验过程中可能由于发生相间短路产生较大的故障电流，为了限制故障电流，允许在被试电器触头和电源之间接入一定的前级阻抗（前级阻抗与电源内阻值之和不得大于实验电路总阻抗值的0.1倍）。

煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置试验线路主要由电源、前级阻抗、试品、后级阻抗、限流电阻和熔断器等组成，主电路分为单极电器的单相交流或直流试验电路、双极电器的单相交流或直流试验电路、三极或者3个单极电器的三相交流试验电路及四极电器的三相四线交流试验电路，本文以三极三相交流试验电路为例，试验线路如图2所示。

3.1 飞弧检测

飞弧电路是验证煤矿用大容量防爆电器在通断能力试验中是否发生对地或极间飞弧短路的一种试验电路，由图3中限流电阻RL、熔断器FU、电源中性点N和被试样品外壳P组成的支路为飞弧检测电路。

试验过程中判断有无飞弧根据飞虎检测电路中熔断元件是否熔断来判断。 由于试验时喷出的飞弧与熔断元件相连的试品接地部件之间有一定的电位差，当喷出的电弧附近的空气被电离成导电状态或直接喷射到接地部件后，总有一定的电弧电流要经过飞弧限流电阻RL和熔断元件FU到达电源中性点。如果此电流足够大或持续时间长，即I2t足够大，可使FU熔断。飞弧限流电阻值RL的计算方法如下式所示：

煤矿大容量防爆产品接通与开断试验试验时电流值较大，本文选用Rogowski线圈对试验线路中的电流进行测量。Rogowski线圈等效电路如图3所示，图中Rogowski线圈感应电动势用E表示，电路采样电阻用R2表示，Rogowski线圈不同匝间电容用C表示，Rogowski线圈内阻为R1，Rogowski线圈自感用L表示。

试验过程电压幅值较高，常用的仪器仪表不能承受，所以本文设计桥式分压电路来测量试验电压，电路如图4所示，测量时被测部位与a、b两端连接即可。图中R1、R2是附加的标准电阻，其中R1=9R2，这样c、d两端点的电压为被测电压信号的1/10，它对地电压只等于被测电压的1/20。

四、结论

本文在国家煤矿电气产品通断试验相关标准的基础上，研制煤矿大容量防爆产品接通与开断试验检验装置。装置主要用于考核电器产品在正常工作和短路状态下开关的最大负荷分断能力及该种状态下能否可靠分断供电线路且电器不发生触头熔焊、拉弧及其它可引起电气绝缘降低的现象。实践证明：检验装置可以按照预期要求完成煤矿大容量防爆产品接通与开断试验，为煤矿井下防爆电气产品安全性提供可靠的试验手段和技术支持，对于保障煤矿的安全生产和井下工作人员的安全具有重要的意义。

参考文献

[1] 国家安全监管总局 国家煤矿安监局.关于进一步加强煤矿安全监管监察工作的通知.〔2012〕130号

[2] 林莘.现代高压电器技术[M].北京：机械工业出版社，2011

[3] 陈青，煤矿防爆高压电器保护性能检验装置[J].煤矿安全，2014（1），104～105

[4] 孟永鹏，贾申利，荣命哲.真空断路器机械特性的在线监测方法[J].高压电器，2006，42（1）：31～34

[5] 同向前，宁大龙，夏伟.申明串联IGBT的一种复合均压方法[J].电工技术学报 2012（3），153-158