矿用高压防爆开关保护装置的改进研究

齐冀阳

（晋能控股装备制造集团大同机电装备天晟电气有限公司，山西大同037000）

高压防爆开关是高压开关柜的重要部件，一旦电源电压发生变化，将导致低压防爆开关的故障，导致电力供应中断，对煤矿安全运行产生严重的不利影响。风机、排水水泵等都是一类载荷，如果因高压防爆开关的失效而导致设备的停机，将对矿井生产和井下作业的人员的人身健康等造成巨大的威胁。即便在电力供应系统出现问题后，电力设施在瞬时启动，也会导致电力供应的瞬间超负荷，目前煤矿使用的大部分高压、防爆开关和安全保护装置都是具有瞬时切断速度功能，很可能因为误操作而导致电力供应中断。

1 高压防爆开关动作原因分析

在煤矿电力系统中，高、低压瞬时切换是导致高压防爆开关发生欠压保护的重要原因。电力系统的高、低压瞬时过渡是由以下几个方面引起的：

（1）冲击载荷。大功率的大型机械，一旦启动，其瞬间输出的能量就会超过正常的额定值，从而对电力系统产生巨大的冲击。

（2）大机电设备直接启动。大型机电设备，尤其是没有使用变频控制的传动电机，如刮板输送机、采煤机等，在直接起动的情况下，会对电力系统的供电线路产生很大的冲击。

（3）供电系统短路。在发生短路的情况下，电力系统的电流会有明显的提高，远远超出了生产的需要。

（4）自然灾害。

2 高压防爆开关保护分析

2.1 保护原理

如图1 中所示，负载被供电，并且实际的电压是85%的额定电压时，激励线圈2 被激励，而动铁芯3 获得磁力。当磁性比弹簧弹性大时，拉动拉杆，使锁紧装置处于关闭状态，电力供应通道畅通。当电源发生故障，电源电压下降到35%以下时，防爆开关锁不能工作，在弹簧的弹力作用下，拉杆运动，卡环被弹开，这样就可以实现对电力线路的保护。

图1 脱扣器结构组成示意图

2.2 高压防爆开关作用

（1）在电源系统发生失效时，电源电压下降，即装置不能工作，并在异常的参数范围内运行，即低压力运行。由于长期在低电压下运行，造成的损坏很大，所以必须切断电源和电气装置。

（2）电力供应系统发生故障，线路上的设备不能运行或运行状态异常，工作性能完全丧失或者只有部分功能。当故障被修复后，大量的机械装置同时被启动，使电力系统的负载大幅增大，使电力系统的电压下降幅度明显，在低于标称电压65%的情况下，通过防爆控制使负载的电力供应中断，从而避免因低压造成的装置的故障。或是电力供应装置维修后，立即投入使用的机械装置，对进行维修的工人和没有及时疏散的工人造成损害。所以，在电力设备检修后，必须保证线路上没有工作的人，并且确定了线路的安全，才能进行手动的开关控制操作。

2.3 问题分析

低压防爆开关保护在理论上和实际应用上都比较完善，但实际应用中需要将整个电力供应系统连接起来。然而，在煤矿的实际运行中，电力供应的故障往往发生在很短暂的时间内，有时会在某个时刻突然发生低压，也可能会有某个电源支路的电源失效而使电力供应的主要线路的电压下降。由于高压防爆开关是与整条电力线路相连接，因此，当发生一些小的事故时，会导致电力供应系统的主要电路发生短路，造成大规模的停电，从而对煤矿的正常生产造成一定的威胁。通过对高压防爆断路器的保护机理进行了优化和完善，以提高装置的容错率和电力供应的可靠性。

3 防爆开关改进研究

3.1 延时时间增加

矿井电力系统的延迟时间基准通常是0.5，对于35kV 供电的电力线，其通常的过流防护延迟为1～2s，并在原有的延迟时间上加上1～2.5s，然后把电流防护延迟设定为1.5～2.5s。6～10kV 输电线路的过流防护延迟通常不超过1s，并在1s基础上添加一个基数，经过改良的电源系统的过流保护延迟达到1.5s。通常，后备电力的工作延迟在1～1.5s 之间。综合以上的结果表明，取防爆断路器的延迟时间为电源的最大延迟，也就是2.5s。

3.2 改进方案

常规的高压防爆开关在启动后，将会导致整条电源断开。所以，对防爆开关的改造，就是根据断电模式的变化，提高容错率，在电压短期波动或短期停电的情况下，不会把整条电力线路供电都给切断。

3.2.1 高压防爆开关脱扣器改造

在原有的高电压防爆断路器中，使用JT 型电磁式继电器替代，详细的改造电路见图2。在这些例子中，图2(a)是一个系统线路，图2(b)是一个控制线路。在具体的线路中，JT 代表JT 型电磁继电器, E 代表电感元件；TQ代表了断路器脱扣，TJ1代表了触电开关。在电源正常工作的情况下，JT 型电磁阀接上电源，使TJ1触头开关打开，这时，该控制线路为断开，不会对普通的防爆开关进行人工操作造成任何的干扰。在电源系统失灵，在实际的电压小于35%的标称下，并在2.5s内，JT电磁阀将被切断，TJ1的触电开关被关闭，这时TQ断路器的脱扣线圈就会发生磁场，吸引E电感位置，使电源电源电压高，电路被切断。

图2 改进的系统电路

3.2.2 JT电磁继电器动延时时间分析

JT继电器的结构如图3所示，该继电器中的磁扼、铁芯由圆柱型电工钢制成，磁扼和铁芯之间没有缝隙，形成一个整体。并且采用了铝进行基座浇灌，减少了磁间隙和磁阻，提高了整个继电器的灵敏度。

图3 JT型继电器结构

控制线JT1的触电开关被关闭，TQ线圈得到电流，从而产生电磁通。当磁通量增大到某一程度时，就会产生一种磁力，使铁心与电枢发生接触。在触点开关断开、控制线断电后，因电流下降速度较快，根据楞次定律，当线圈的磁通量下降时，线圈中会产生感应电流，这股电流与磁力的共同作用，使得磁通急剧下降。在阻尼罩中的感应电流会使磁路中的磁力衰减速率减小，磁力由吸引铁心与衔铁的接触到减小而由弹簧弹性力逐步脱离接触的时刻称为继电器延迟。所以，可以通过调节弹簧的弹性，达到调节继电器延迟时间的目的。

4 结语

通过对煤矿高压防爆开关的改造和研究，使其具有一定的延迟时间，可以防止供电线路在短期内出现的电压波动，也可以在短时间内防止高压防爆开关发生故障，从而导致电力系统的大面积断电。同时，该高压隔离开关还能通过调整继电器内部弹簧来调节延迟时间。通过对TJ 型继电器进行的高压防爆断路器的延迟时间设置在0.8～3.0s 的范围内，其使用效果最佳。山西某煤矿采用改造后的高压防爆开关，有效地解决了因供电线路出现的瞬时电压波动和短时断电造成的大面积断电问题，提高了煤矿电力系统的可靠性。