煤矿隔离开关分断能力试验技术探析

＊韩 煜

（晋能控股集团煤业公司同家梁矿 山西 037003）

引言

近年来随着科技的发展，新的生产技术的应用，我国煤矿安全生产情况虽有好转，但由于资源的不可再生，及开采难度的增大，受矿井深度及复杂的井下形式，各种危险事故常有发生。同样机电设备引起的安全事故也是引发煤矿安全的主要原因，严重时其火花可以引起瓦斯爆炸。这就凸显出矿用隔离开关在实际生产中的作用，它是煤矿井下应用较广的的设备元件，其主要的分断能力能检验出矿用隔离开关的安全性能，属于实验和研发过程中的重要项目。在煤矿电网中起到电气隔离、无载换向和下一级接触器故障情况下分断故障电流的作用。

1.分断电弧理论

矿用隔离开关的组成包括由双灭弧系统和双操作机构两个大的部分。灭弧系统主要作用于电流的分断以及隔离电气；操作结构主要为其提供动力，矿用隔离开关就是通过两者的密切的配合来实现基本的分断功能，从而保证设备人员的安全，避免了产生飞弧，引发额外的漏电现象，造成短路，气体可以作为理想介质，认为可以完美的阻断电流，在两端各施加电压，其空隙中没有检测到电流。但是在实际生产过程中不存在理想状态，空气中因为各种射线的影响，都会导致产生一定数量的带电粒子，当气体两端产生电压差时，就会形成电场，导致带电粒子发生定向运动，产生电流。当电压达到一定数值后，电流也将迅速增加，从而使气体导电，失去绝缘能力。气体的这种绝缘状态变化，称之为气体击穿。从而产生电弧，造成不同类型的放电。

在发热角度上，电弧属于纯电阻性元件，消耗的电功率可以通过以下公式计算：

注：Ih为弧柱电流，A；

U0为近阴极和近阳极的压降和，V；

UZ为弧柱压降，V。

由此得出：电弧消耗的功率Ph等于近阴、近阳极以及弧柱3个部分消耗功率之和。电弧产生的功率损耗一方面导致自身温度升高，另一方面通过热传导、热对流和热辐射三种方式传递到周围介质。

注：Pcd为传导散热功率；

Pdl为对流散热功率；

Psf为辐射散热功率。

动、静触头之间承受弧隙电压，但不发生重燃现象，是矿用隔离开关分断中最为本质的要求。弧隙电压存在恢复过程，其主要与弧隙介质的回复强度有关，都属于一个物理过程。其电弧最易发生重燃现象，如何调节弧隙恢复电压与弧隙介质强度成为关键，交流电弧熄灭具备的条件如以下公式：

注：uif(t)为弧隙的介质恢复强度，V；

uhf(t)为弧隙的恢复电压，V。

2.分断系统设计

按照国家推荐标准（GB/T 5590-2008）以及行业标准（MT/T 111-2011、MT/T 971-2005）的规范要求，必须保证电动机起动器的额定电压或保持在1.05倍工作电压、功率因数0.35±0.05试验条件下3次分断额定或3～6倍额定电流能力，然后依次进行正、反向6次分断试验检验。

此试验系统由试验线路、控制系统、数据采集系统三部分组成，其系统结构如图1所示。

图1 矿用隔离开关分段试验系统结构图

(1)线路设计

本试验线路主要有高压配电柜、冲击试验变压器、高低压保护柜、负载阻抗、低压开关柜组成，其结构如图2所示。冲击试验通过改变输出端的连接方式，来进行二次侧的电压调整，将10kV的电网电压分别转换成分断试验用380V、660V、1140V三种电压。通过前、后两级阻抗的对比，形成不同的连接方式，来进行调整整个回路使用的电流与功率因数。高、低压保护柜用于控制和保护中试验回路的高、低电压。同样低压开关柜由前级、后级陪试柜组成，分别用于矿用隔离开关的前后端，可以用于不同类型的实验模拟。

图2 试验线路结构图

(2)控制系统

此次分断试验主要采用的是双PLC联合控制系统，PLC信号输出端发出信号，并直接与高压配电柜、低压保护柜、高低压开关柜连接，实验中通过对线路设备的投入和切断的有效调节，来达到实验目的。将PLC2输出端连接到试验中驱动机构的控制端，以此来调节隔离开关的各项参数，同时实现驱动机构动作角度、运动方向的调节，来达到与PLC相互协同、共同运动的功能。在接收PLC动作信号的同时，合理设置延时时间，保障在电流满载后立即进行分断控制。

(3)数据系统的采集

数据的采集、处理单元主要由电流、电压互感器、数据采集卡、积分器、工业计算机共同组成。通过各个电路元件的相互组合，对采集到的信号进行合理的处理，将其转换成对应的实际数据，并进行进一步的数据统计、处理。并通过对电磁场的感应，形成感应电动势，并通过对其输出信号的积分运算，通过一系列的转换成为电流信号。

3.试验操作流程

当进行试验操作时，要确定断路器的完好及相关位置，并确定额定电流、额定电压（400A，1140V），同时严格按照实验的操作流程，按照步骤开展实验，正确得到A相电压、电流的波形示意图（如图3）。通过示意图可知：电流、电压的大小、持续时间分别为400A，1140V，140ms，当实验停止时，同样按照操作规范，按照顺序关掉各开关。

图3 分段试验曲线图

4.结语

通过对矿用隔离开关的分断设计试验，并重新改组设计了线路系统，非常有效的避免了接触部分过热、瓷质绝缘损坏和闪络放电等常见故障。以及减少了隔离开关拉、合过程中会引起电弧，烧伤触头，使接触电阻增大的现象。充分证明了系统设计比较合理非常有效、性能稳定，实际应用性强，并为现场的安装提供了有利的技术支撑。