矿井高压防爆开关保护装置的改进设计

曹磊胜

（山西煤炭运销集团首阳煤业有限公司，山西晋城 048400）

0 引言

煤矿中安装的高压防爆开关保护设备是开关柜内部的关键部件，不具备较强的稳定性，当供电系统出现问题时，极易导致故障发生，对矿井生产造成了一定的影响。煤矿内部所运用的核心设备大多运用了一级负荷，一旦供电体系出现故障，不仅会对井下的正常生产造成了影响，而且极大威胁着工作人员的人身安全。例如，用来保持矿井中空气流通的通风设备和抽水泵都采取了双回路供电的模式，一旦供电系统发生问题，局部通风机的运行将会受到影响，导致瓦斯事故发生；就算供电系统的运行恢复正常，矿井内部的机电设备接通电源之后，依旧会产生瞬间超负荷。为了防止故障修复之后因瞬时通电所导致的线路瞬时过载而危害电网或因电机自启之后导致人员受伤，矿井中的高压电动机及相应的高压控制设备应当具备各个保护功能。现阶段，高压防爆开关中所设置的欠电压释放设备大多具有迅速断电、瞬间的特点，极易因错误操作而产生故障[1]。

1 故障原因

开关欠压保护发生的关键因素就是供电系统内部发生的高压及低压瞬间转化。供电系统内部发生低压闪变的原因：（1）冲击载荷，在启动设备的时候，瞬时功率将会大于额定数值，极大冲击了电路；（2）直接开启大电机；（3）供电系统发生短路故障，电路中产生的电流无法满足使用需求。

2 高压隔爆开关欠电压保护

2.1 欠电压保护原理

当供电系统接入负荷及电压持续提升到额定值的85%之后，励磁线圈就会启动，使铁芯在通电状况下形成磁性，同时所产生的引力也会超出弹簧的弹力，以驱动牵引杆运行，促使锁扣维持闭合状态，从而使通路保持通畅。当系统产生故障或者线路压力降低时，当系统电压处于标定值的35%之内时，该欠电压脱扣器将会保持静止，不能正常启动运行，只有利用反作用弹簧在其弹力的影响下来驱动推杆，推开锁扣，以有效保护线路。欠电压脱扣器的结构图如图1所示。

图1 欠压脱扣器结构示意图

2.2 欠电压保护

处于欠电压保护的背景下，主要存在2个转换值，因此，欠电保护也可以形成2种作用。（1）当供电系统产生故障之后，电压将会持续减小，设备的正常运行受到影响；并且在非正常区域工作的时候，就属于低压运行，一旦设备长时间维持低压运行，就会受到较大的损坏；当欠电压状况发生时，就必须将线路及时断开。（2）当故障出现的时候，设备的运行将会受到影响，处于停止或即将停止的边缘；当线路可以正常运行之后，很多设备将会同一时间启动，负荷也会瞬时间进入到电路中，电压再次出现降低；当电压持续降低到额定值的65%之后，欠压保护动作将会断电，避免因过低

的电压而导致设备受到损坏，当供电系统恢复正常之后，电气设备会因为瞬时恢复运行而伤害到工作人员[2]。

2.3 故障原因分析

欠电保护在设计及运行的过程中都较为合理，但是对供电系统而言，其内部所具有的联动机制将会对其产生驱动作用。在实际应用的过程中会迅速产生故障，甚至是瞬时间出现低压问题，或者母线的电压因某个支路的故障问题而不断降低。矿井中的主线会因局部较小的问题而出现短路故障，进而导致矿井发生大区域断电的问题，这不仅严重影响到工作进度，而且会消耗较多的人力及物资。因此，欠电压保护体制必须具备合理的断电形式，促使连锁反应的容错率不断提升。

3 防爆开关的优化改良

3.1 明确延迟时间

经过优化改良之后，与所有线路形成的延迟动作相比，其延迟时间多出了一个时间基数，为线路及设备保留了一个缓冲时间。当矿井通电之后，时间基数大多为0.5 s。处于35 kV电压的电路中，根据相应的规定，取1～2 s的定时过流保护，再加入一个时间基数，因此在改良之后，其延迟时间处于1.5～2.5 s之间；处于6～10 kV的电路中，取15 s之内的定时过流保护，因此改良之后，其时间为1.5 s，备用电源会在0.5～1.5 s之间发生作用。由上述可知，在全部保护动作得以实现的时间区域内，设定最大数值，改良之后的延迟时间为2.5 s。

3.2 优化方案

以往所使用的防爆开关欠电保护设备会发生一系列影响电路的连锁反应，使电路出现断电问题。因此，改良就是根据以往发生反应的机理来调节断电形式，使供电系统不会因短期断电或电压发生改变而触发断电开关[3]。

3.3 延时驱动欠电压保护原理

对于高压防爆开关内部安装的欠电压脱扣装置，可以采用JT型直流电磁继电器来进行取代，在将驱动欠电压保护装置加以改良之后，其流程图如图2所示。图中，JT、JT1、TQ和E分别为JT型直流电磁继电器、感应电路触点开关、跳闸线圈和感应单元。其发生保护动作的原理为：当供电系统维持正常运行时，继电器JT就可以连通电源，使JT1弹开，此时控制电路就会断开，但并不会对防爆开关的手动操作造成影响[4]。当线路出现故障或拉闸出现断电之后，电压的实际数值将会小于额定数值，超出JT发生断电的延迟时间，JT失去电力，JT1出现复位闭合，TQ则会连通，产生一种磁力，充分吸引感应单元E，驱动线路中所安装的高压开关将会发生断电问题。

图2 延时驱动欠电压保护优化改造示意图

3.4 延时的工作原理

JT型直流电磁延时继电器，磁轭与铁芯是以圆柱形整体电工钢为材质来进行加工的，使两者融为一体，再运用铝基座进行浇铸形成，进而使装配气隙和磁阻得以降低，其所具有的灵敏度不断提升。极靴以圆形来套入铁心的端部，衔铁则加工成板形，设置在磁轭的端部，可以以棱角为中心进行转动，继电器可以在断电释放的状况下，利用反力弹簧来打开衔铁，铁芯上方设有线圈，而磁轭上端安装有阻尼铜套，以实现延时的效果。在衔铁与铁芯相互接触的部位安装有一个非磁性垫片，可以降低剩磁造成的影响[5]。该型号继电器的构造图如图3所示。

图3 JT型直流电电磁延时继电器结构图

当控制线路做出闭合动作之后，线圈将会接通电源，形成磁通，并呈现出上升的趋势，当其达到某个数值之后，就会产生相应的磁力，使铁芯与衔铁之间形成较好的接触；当控制电路断电之后，其内部将会立即流失外界的电流，由于该过程的发生极为迅速，根据楞次定律，线圈中存在的磁通量将会在不断减少的过程中形成一个电流，同时与磁场相互作用，形成一种力，从而对磁通量造成影响，使其持续降低[7]。阻尼外套中所存在的感应电流将会对磁路产生一定的影响，导致其磁性不断减弱，磁力从完全吸引到被弹开，这段时间就是延迟时间，它是可以通过改善弹簧的松紧度来进行调整的[8]。

4 结束语

矿井下安装的高压防爆开关欠电保护装置在改善之后，具备了延时功能，极大避免了电压因短时间内剧烈变动而产生误差问题，可以通过对继电器内部弹簧的松紧状态进行调节来严格控制延迟问题。经过相关测试之后，JT3型继电器大约有0.8～3 s的延迟时间，应用效果最佳。优化改良之后的高压防爆开关在实际应用的过程中可以极大避免因短期断电或电压发生变化所导致的矿井大区域断电问题，促使供电系统具备更高的稳定性。