10 kV级高压隔爆本安型软启动器在煤矿井下的应用

吴泽荣

（挖金湾煤业公司电讯科， 山西 大同 037042）

引言

由于煤矿开采环境复杂，很多企业为了提高生产效率，纷纷采购现代化开采机器。目前，应用比较广泛的电机设备为鼠笼电动机[1]。该电动机可以在空气潮湿、恶劣的环境中运行，但是由于频繁启动电动机，增加了负荷波动幅度，从而对电机的稳定运行造成了严重影响。为了降低频繁启动对电机运行造成的影响，本文采将10 kV级高压隔爆本安型软启动器应用到实际开采现场展开详细研究。

1 高压隔爆本安型软启动器的电路组成与工作原理

该设备主要由本质安全型与隔爆型组成，其控制线路与主线路的安装位置均在隔爆外壳，以满足隔爆要求，除了具有较强的隔爆性以外，其耐爆性也较强[2]。另外，软启动器可以实时控制信号，提高了电机运行的安全性。如果线路发生故障，将产生能量非常小的电火花，不会发生煤尘与瓦斯点燃现象。

软启动器采用电子技术与微处理技术，形成一种新型电动机减压启动器，不仅能够降低启动机械的应力，还可以降低电机启动电流，具备高安全性保护功能。该装置的启动方式主要有两种，分别是软启动方式与直接启动方式[3]。前者应用较多的控制方式为电压斜坡控制方式、限流控制方式，具备报警指示、双参数控制、电压控制、可编程低速电动控制等功能。

软启动器具有较强的过负载能力，工作频率在45～66 Hz之间，支持电压波动范围在+10%～-25%，如图1所示。

启动器的主开关器件设置在主电路上，采用单向晶闸管反并联后串联到电路中，通过改变晶闸管的开通相位来调节软启动器的输出电压，如图2所示。

图1 装置工作原理图

图2 软启动器的主电路原理图

2 软启动器在煤矿井下的应用分析

2.1 项目背景

本项目位于陕西省榆林市神木县，投资公司为中国神华能源股份有限公司，总井田面积可达169.7 km2，设置了7个采煤层，预计年生产原煤800万t。本次研究将软启动器安装在煤矿井下来控制电机的启动，从而为煤矿供电系统安全与稳定运行提供有效保障。

2.2 装置线路连接

2.2.1 主线路连接

软启动器主线路采用三相交流电源进行供电，电源装置通过自动空气短路器与软启动器的T端、S端、R 端相连；W、V、U端与 L13、L12、L11端之间通过旁路接触器KM主触点相互连接；为了实时检测电机运行过程中的电流，在 L13、L12、L11端与 T、S、R 端之间采用电流互感器实现测量；电机的外围接口分别与W、V、U端相连。软启动器自身具有较高的安全性，其内部的电子式电机过电流保护装置可以防止电流过大，对电机造成损坏。

2.2.2 控制线路连接

软启动器控制线路中的旁路接触器线圈通过其内部的熔断器与旁路的继电器常开触点与交流电源连接。该装置的12号端子及11号端子与测量范围在0～20 mA之间的直流电表外接，主要用于检测电机电流。6号端子与5号端子作为故障输出端子，如果软启动器在运行过程中发生故障或者供电线路异常闭合的情况下，这两个端子输出的信号可以作为控制信号、故障预警信号。4号端子、3号端子为多功能编程输出端子，可以将其作为线路工作状态下产生信号或者多功能定时器产生信号的输出端子。根据煤矿开采功能需求，本次研究将上述输出端子进行灵活组合，设计出一个应用控制电路，如图3所示。

图3 软启动器外围电路连接原理图

2.3 泵模式、硬启动、脉冲启动应用效果分析

为了保证设备可以长期无故障连续运行，本次研究除了采取软启动方式以外，在开采装置系统内部还设置了硬启动、脉冲启动与泵控。本系统的设计方案为：采取“一拖多电机”设计思想，线路中设置3台1 000 kW电机拖动水泵，每一个高压线路均配备一个供电电源，这样每一台软启动器可以有多个电源提供电能，从而实现双调节。另外，本次设计还设置了两套不同特性的电机，根据实际工程情况，开启其中一台电机即可。这种设计能够降低成本，有助于后期维护操作。

将该装置投入到实际工程中应用发现，通过调试泵控程序，可以同时控制3条扭矩曲线与电压斜坡曲线，依据实际工程情况，做出准确的选择，从而达到减小峰值扭矩的目的。通过曲线的选取来有效控制电机的运行，以此防止电机突然停止工作，出现水锤现象。如图4所示为斜坡软启动与限流启动控制的测试效果图，经过多次测试发现，电流斜坡软启动效果更好一些，且对于特殊负载情况的应用效果较好。

通过观察图4中左侧曲线效果图，可将其看作两段不同的曲线，如式1所示。

图4 斜坡软启动与限流启动控制的测试效果图

式中：q为斜坡软启动点；t为装置运行时间；y为电压百分数/电流百分数；k、b为常数；p为斜坡软启动点对应的电压百分数。

通过观察图4中右侧曲线效果图，可将其看作两段不同的曲线，如式2所示。

式中：q为限流启动点；t为装置运行时间；y为电压百分数/电流百分数；k、b为常数；p为t-δ时刻下对应的电压百分数。

2.4 应用结果分析

将多次测试结果进行整理，可以得到该装置在1 024 h运行时间内产生故障的次数，将其与传统启动方式进行对比，如表1所示。

表1 软启动器与传统启动设备产生故障次数对比表

通过观察表1中的数据可知软启动器在煤矿井下的应用效果较好，与传统启动方式相比，降低了50%以上的故障率，可以广泛应用。

3 软启动器安装接线注意事项

为了将软启动器的作用全部发挥出来，在接线过程中需要注意的事项如下：

1）连接控制盒与可控硅之间的线路，并用万用表测试电阻，如果该阻值低于100 kΩ，则立即更换电阻，保证其在规定值以上。

2）该装置的 L13、L12、L11为进线端，分别与前一级的开关相连接，W、V、U为出线端，这些接口需要与电动机相连接。

3）当前使用比较多的软启动器，其电压设置主要有两种，分别是1 140 V、660 V。客户可以根据实际情况选取合适的电压等级，要求软启动器铭牌上标注的额定电流高于被控制电机的额定电流。

4 结语

运用10 kV级高压隔爆本安型软启动器，可最大限度地清除高压大功率泵启动和关闭系统的机械冲击，消除设备启动过程中对电网的影响，值得被广泛运用于地下煤炭开采行业。

[1] 佚名.QJGR系列矿用隔爆兼本质安全型高压真空交流软启动器[J].工矿自动化，2015（9）：92.

[2] 陈中洋，吕朝帅，赵文艳.355机座号10 kV高压隔爆型三相异步电动机试制讨论[J].电气防爆，2015（3）：10-13.

[3] 方章英.基于矿用隔爆兼本质安全型软启动器研究与应用[J].煤矿机械，2014，35（1）：171-173.