煤矿地面变电所和主通风机房框架构建下的欠压保护技术改造思路探索

张言秀

摘 要：文章以煤矿地面变电所和主通风机房框架构建下的欠压保护技术改造思路探索为题展开了相关的研究工作，结合实例分析了在现有欠压保护技术下风机回路或下井回路出现跳闸后对井下安全将有可能带来的严重危害，而后就欠压保护原理进行简要介绍，并基于此提出了通风机欠压保护、电磁脱扣欠压保护、驱动跳闸线圈欠压保护等三项基于欠压保护技术思路下的改造方案。在针对现有的欠压保护回路实施改造处理后，有效的规避了由于供电网络的电压影响而造成风机欠压保护出现故障并造成停机事故，极大的提高了煤矿开采作业的安全性。最终希望借助于文章的研究工作能够引起更为广泛的讨论与交流，以期能够为提高井下煤矿开采作业的安全性提供一些新思路、新方法。

关键词：煤矿；变电所；风机房；欠压；保护技术；改造思路

在当前煤矿井下的电网欠压保护中主要采用的是失压脱扣器与欠压保护回路驱动跳闸线圈，其电压值在小于额定电压65%后便会自动跳闸。但是由于目前电网的短路电流较大，在上级变电站以及自身变电所出现三相短路事故故障后，往往母线残存电压值会相较于额定电压小40%左右，因此系统便会做出欠压保护行为，致使风机回路亦或是井回路出现跳闸。为增强煤矿通风的安全性，尽可能预防发生由于瞬时电压波动较大而导致的停机故障，文章就基于对欠压保护原理的分析基础之上，提出了一项具体的改造方案。

1 现状分析

以某煤矿为例，该煤矿的年生产能力为445万吨，有两对主、副井（1#主副井、2#主副井）进风，三个风井（东一、东二、西风井）回风，矿井通风方式为中央分裂与两翼对角混合式，三风井分别安装离心式、轴流式、及轴流对旋式风机，东二风井为内安装有ANN-2500/1250型轴流式式通风机设备，配备有额定功率Ne=1000kW电动机设备，其额定运转速Ne=992r/min，额定电流值Ie=115.9A，电压值Ue=6000V。鉴于目前电网的短路电流大，一旦上级变电站亦或是煤矿本身地面变电所出现三相短路故障后，母线残余压力常会大幅度低于额定电压值，由此也就会导致欠压保护动作的出现，使得风机出现停机情况；而在等待其他保护装置的故障问题解决后，系统恢复正常供电，此时跳闸风机亦或是井下回路常常要人工操作方可确保电力供应恢复正常，因此便会造成矿井内的风力输送出现长时间的中断，并导致瓦斯浓度不断升高，井内危险系数也将越来越高，对于井下的施工作业人员将会构成严重的生命安全威胁。

对此，为了实现对矿井内通风需求的有效滿足，主要可采取两种方案，其一：重新选型对风机设备进行更换；其二：针对目前的现有风机采取技术改造。前一种方案要将现有的全部风机淘汰，不但会额外增加大量的成本支出，同时还要经历风机的采购、运输、安装、调试等多个环节，影响时间较长，且会导致正常的煤矿开采生产受到干扰。经过综合分析、对比及验证，明确了对煤矿地面变电所以及主通风机房的高压柜实施欠压保护技术改造的方案措施，以期能够降低成本并减小对正常生产的影响。

2 欠压保护原理分析

2.1 概述

欠压保护简单来说就是在线路电压下降到了临界电压值以后，对电器设备所采取的必要保护措施即为欠电压保护，其主要的目的是为了避免设备由于大幅度过载而被烧毁。受到短路故障等因素的影响，线路电压便会在极短的时间内发生大幅度的下降亦或是消失状况。这一情况将会造成线路与电器设备出现受损。如促使电动机出现疲倒、堵转等现象，进而出现数倍于额定电流值的过电流，使得电动机被损毁；而在电压值恢复正常情况后，数量众多的电动机设备自行启动又会导致电动机的电压急剧降低，同样也会对电网线路及电器设备造成损伤。引发电动机疲倒的电压值即被称作临界电压。在线路电压下降到了临界电压之后，对电器设备进行保护的动作也被称作是欠电压保护，其最为重要的价值是为了避免设备由于过载而被损坏。在本路电压值小于临界电压保护电器才做出相应的保护动作即为施压保护，其最为重要的任务是为了避免电动机自行启动。

2.2 电动机闭锁保护

在电动机保护当中存在着“低电压”保护的情况，更多的和过电流以及负序等保护共同合作构成闭锁保护，类似于“电动机复合电压闭锁过流”保护等。回路构成通常是为了促使单块低电压继电器线圈同时并联在PT二次回路的任意两相之间，相应的常闭接点在过流保护启动出口继电器的回路之内，主要是起到闭锁效果，通常即为电动机在正常运转过程中PT二次回路电压处于正常水平，低电压继电器线圈带电吸合主要是处在返回状态下，往往常闭接点会分断，这时即使是电动机三相电流发生过流现象，然而只要电动机端的电压值还未下降到预先设定的水平位置，低电压继电器便不会做出相应的反应，常闭接点也就依然处于开启状态，因而出口节电器就处于闭合状态，该保护不发生动作。只有在电动机发生了过流现象并且电压水平下降到了低电压继电器定值水平之下以后，这一保护才会继续作出动作，在延时时间过了以后跳开发电开关。若设备并联在网络线路之上亦或是系统当中存在接地情况之时，电动机正常相的电流都往故障相流，进而导致某一项的定子电流出现过流情况，同时故障相的电压也将下降，在小于设定水平之后，作出保护动作，开启开关。

2.3 电动机低电压保护

这一保护通常是应用于对较为关键设备的电动机控制回路内，同时此类电机功率往往与母线当中的其余电动机相对比来说均更为巨大，原理即为电动机跳闸回路内并联单个低电压继电器常闭接点，同时此低电压继电器线圈也并联在电动机所提供的三相电源母线内的两相之间，在实际运行过程中，目前电压值正常，低电压继电器线圈带电吸合则处在返回状态，常闭接点分隔，而在母线失电亦或是出现接地故障后，母线电压下降到低电压继电器动作水平后，做出继电器动作，常闭接点闭合，跳闸回路连通，电动机从母线分离出来。

3 基于欠压保护技术思路下的改造方案

3.1 通风机欠压保护改造

在煤矿开采区域内所采用的通风机设备主要包括了同步机和异步机两类，主要是以异步机为主。（1）同步机通常具备有失步保护的功能，也就是在实施了改造处理时出现了瞬时电压波动情况，很有可能会由于失步而无法避免瞬时电压波动所带来的不良影响。（2）在对异步机实施改造处理后完全可避免电压瞬时大幅度波动所產生的不良影响，通常在电压波动0.5s内便完全终结，在此情况下电机和风机依然可以保持旋转状态，只要电压值恢复到正常水平，其也便会再次回归正常运行状态，一般而言电机与风机在恢复过程当中的电流值将会远低于静态启动电流，并经研究后表明该状况对电网而言影响不大。在矿井当中通常所选用的通风机欠压保护方案为：磁脱扣型（采用延时欠压保护来取代脱扣器）以及欠压保护回路驱动跳闸线圈型（对保护回路实施改造处理，额外新增安装延时回路）。

3.2 电磁脱扣欠压保护改造

此种类型的无压释放装置在实际操作过程中原理十分简便，即凭借对电磁线圈吸附能力的调节来促使动作值得以改变。然而在电网电压水平小于35%额定电压后，线圈将凭借瞬时释放来促使开关得以闭合，没有任何能够调控的余地。由于短距离三相短路所导致的电压波动值往往偏大，残存压力相对较小，很有可能会造成欠压释放器出现多余动作。因而需针对这一种欠压释放装置实施相应的改进处理。

一般变电站中经常应用的电压电流保护装置均较为常规，具备直流操作电源的可利用退出原装设欠压脱扣器，由电压互感器二次侧依次选取电压Uab、Ubc、Uac，共接通3只电压继电器。

为避免电压互感器因断线而导致低电压继电器动作开关出现断连情况，需在二次回路上串联接入电压互感器断线并对继电器采取封闭锁定，如下图1所示。

1YJ、2YJ、3YJ、ZJ常闭接点可在供电系统出现故障问题时促使电压值下降至额定电压值的40%左右，低电压继电器常规闭合点闭合，常规断线闭锁继电器常规闭合接点也完全闭合，时间继电器带电，其接点延时闭合，跳闸回路连通开关跳闸。

在绝大部分6kV变电站的风机房中其所实施的继电保护均为交流操作，系统电压降低之后，跳闸线圈TQ电量值可确保操作过程不发生脱扣现象，从而欠压保护的效果自然也就难以达到。因而需额外增加UPS电源来进行操作，其电压值约为1kW左右，具体可结合以实际的操作机构来选取110V亦或是220V，而其容量值大小则应当符合于TQ功率值，除了所采用的继电器为交流继电器以外，在原理方面与直流操作完全一致。

3.3 驱动跳闸线圈欠压保护改造

采取电解电容充放电来对跳闸线圈实施操作，依据电网电压的波动频率及存在时间来对1SJ与2SJ继电器实施跳闸调整。在对驱动跳闸线圈欠压保护进行改造前可利用欠压继电器1ZJ与2ZJ充当脱扣保护装置，因此也便能够规避电网电压波。

在实施改造处理后可利用时间继电器来充当延时脱扣保护，同时还可新增加电解电容来进行充放电操作并达成脱扣保护。

4 效果评价

将原本的欠压继电器予以拆卸，重新更换上能够进行调控的0.1～5s的时间继电器，所选用一只450V/1000？滋F的储能释放电解电容，并可依据实际的脱扣功率大小水平再重新并联一只。整流模块可选择1000V/35A。之后将其中的接触点转换成常闭点，时间设定为0.5s左右，具体可结合实际状况进行调整，原则上不超过5s即可。

在针对某煤矿的两矿井进行了改造处理后，进行实际测定表明其动作时间为0.8s，次年该煤矿所在电网发生了一次较大幅度的电压波动情况，除改造过的两矿井高压柜正常运行外，其它的运行设备均发生了停机情况，据此表明对煤矿地面变电所以及主通风机房实施欠压保护技术改造其作用价值显著，有助于保障煤矿生产作业的安全进行，实际应用价值显著。

5 结束语

综上所述，在对煤矿地面变电所以及主通风机房基于欠压保护技术改造思路下，更换了可自主调节的1SJ以及2SJ时间继电器后，不仅实现了对矿井通风量与负荷压力的完全满足，而且再未出现任何跳闸停机故障，电动机的运行安全及功率得到了显著提升。

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