變頻條件下的采煤機(jī)電纜設(shè)計(jì)與分析

金鑫

中煤科工集團(tuán)上海研究院

變頻條件下的采煤機(jī)電纜設(shè)計(jì)與分析

金鑫

中煤科工集團(tuán)上海研究院

Frequency converter cable for Coal Mining Machine Design and Analysis Jin Xin

介紹適用于變頻系統(tǒng)的采煤機(jī)電纜設(shè)計(jì)和變頻條件下采煤機(jī)電纜安全性分析。

變頻；采煤機(jī)電纜；安全性

Introductioonf frequenccy onvertecr able for coal mining machine design and safety analysis. Keywords

frequenccy onvertionc; able for coal mining;safety performa nce

1.概況

采煤機(jī)采用變頻系統(tǒng)，改善了采煤機(jī)在調(diào)速和啟動(dòng)等諸多方面的性能，正在越來越多的被推廣使用，但使用中與之連接的普通采煤機(jī)電纜完好狀態(tài)下往往發(fā)生控制失靈的現(xiàn)象，采煤機(jī)電纜用于采煤機(jī)的動(dòng)力電源連接和控制信號(hào)的傳輸，隨采煤機(jī)在采煤工作面往返運(yùn)動(dòng)，工況復(fù)雜，對(duì)電纜的安全性和功能性要求也更高，現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T12972-2008《礦用橡套軟電纜》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT818-2009《煤礦用電纜》在傳統(tǒng)采煤機(jī)電纜的安全性、功能性方面考慮的比較完善，由于變頻系統(tǒng)廣泛使用，隨之帶來的影響還是愈來愈突出，而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)并沒有相關(guān)闡述，如何解決變頻環(huán)境給采煤機(jī)電纜帶來的諸多問題，使采煤機(jī)電纜既滿足使用要求，且安全性更高是本文主要目的。

2.原理及性能分析

由于采煤機(jī)沿采煤工作面往返運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)一般與運(yùn)輸機(jī)連鎖工作，采煤機(jī)電纜為采煤機(jī)提供動(dòng)力電源傳輸?shù)耐瑫r(shí)，兼顧采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制，一般含有動(dòng)力線芯、地線芯、至少還含有三根以上的控制線芯，對(duì)于變頻環(huán)境下采煤機(jī)電纜除滿足功能性要求的基礎(chǔ)上，還必須達(dá)到一些基本安全性能要求：

1）采煤工作面工況復(fù)雜，采煤機(jī)電纜作S型運(yùn)動(dòng)，應(yīng)當(dāng)具備良好的機(jī)械性能。

電纜運(yùn)動(dòng)過程中要受到嚴(yán)重的彎曲、拖拽、擠壓、扭轉(zhuǎn)以及煤塊的沖擊，對(duì)于電纜的使用壽命有很大的影響，電纜材料和結(jié)構(gòu)要既要保證電纜的柔軟性也要達(dá)到高強(qiáng)度。MT818-2009標(biāo)準(zhǔn)中要求采煤機(jī)電纜應(yīng)當(dāng)滿足機(jī)械沖擊、擠壓和抗彎曲試驗(yàn)的要求。

2）阻燃性能滿足煤礦井下安全要求。

阻燃性是煤礦井下電纜基本要求，煤礦安全規(guī)程、GB/T12706-2008和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT818-2009都對(duì)采煤機(jī)電纜的阻燃性作了明確規(guī)定，必須滿足MT386-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單根垂直燃燒試驗(yàn)、負(fù)載條件下燃燒試驗(yàn)、成束燃燒試驗(yàn)的要求，無論是否用于變頻條件下，采煤機(jī)電纜的阻燃安全性都是放在首位的。

3）滿足變頻環(huán)境下的安全和使用要求。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的整流和逆變電子組件產(chǎn)生的高次諧波通過電磁輻射、傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合對(duì)電纜及周邊元器件產(chǎn)生干擾和破壞作用，對(duì)于采煤機(jī)電纜最突出的表現(xiàn)在高次諧波疊加造成電纜地線芯產(chǎn)生高次諧波電壓和諧波電流，導(dǎo)致電纜護(hù)套帶電（屏蔽型電纜地線芯外無絕緣層直接通過屏蔽層或半導(dǎo)電層與護(hù)套層接觸），井下檢漏繼電器判斷電纜漏電而進(jìn)行漏電保護(hù)，斷電停機(jī)。2對(duì)控制線芯產(chǎn)生干擾信號(hào)，造成控制信號(hào)出錯(cuò)，無法開機(jī)或誤動(dòng)作。所以采煤機(jī)電纜應(yīng)當(dāng)具備抑制諧波和抗干擾能力。

3.設(shè)計(jì)方案

基于上述要求，對(duì)于采煤機(jī)變頻電纜采取以下設(shè)計(jì)方案，電纜結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1

3.1 導(dǎo)體

動(dòng)力線芯導(dǎo)體、地線芯導(dǎo)體、控制線芯導(dǎo)體應(yīng)根據(jù)其功能和特點(diǎn)采用不同設(shè)計(jì)：

動(dòng)力線芯導(dǎo)體采用軟銅線，其性能應(yīng)符合GB/T 3956-2008 第5種導(dǎo)體的要求；

地線芯導(dǎo)體依據(jù)屏蔽形式的不同可采用三根動(dòng)力線芯金屬屏蔽層兼地線或三根地線束絞繞包于控制線芯絕緣外兼控制線芯屏蔽層。設(shè)計(jì)原則是3根地線芯成120°繞圓心排列絞合成纜，相位依次相差120°。變頻系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波因?yàn)樵诘鼐€芯中相位平衡，不會(huì)形成幅值疊加，同時(shí)地線芯作為屏蔽層起到均勻電場(chǎng)，抑制電磁輻射的作用。

控制線芯為提高壽命，防止斷芯，采用高強(qiáng)度和高彎曲性能的航空用細(xì)鋼絲作為抗拉構(gòu)件，圍繞細(xì)鋼絲采用銅線分層編織，絞和節(jié)徑比應(yīng)低于6，這樣控制線芯導(dǎo)體柔軟性和延展型都比傳統(tǒng)采煤機(jī)采煤機(jī)電纜的控制線芯導(dǎo)體提高很多，同時(shí)外力基本作用于細(xì)鋼絲上，導(dǎo)體本身受力很小，壽命自然會(huì)大幅度提高。

3.2 絕緣

控制線芯絕緣和動(dòng)力線芯絕緣采用三元乙丙橡膠，機(jī)械物理性能符合XJ-30A絕緣要求，抗張強(qiáng)度達(dá)到6.5N/mm2以上，相比傳統(tǒng)天然丁苯橡膠為基料的絕緣，強(qiáng)度得到極大提高，同時(shí)避免了天然-丁苯橡膠在硫化過程中易氧化導(dǎo)體的缺陷。絕緣體積電阻率可達(dá)到2400ΩMkm以上。

3.3 屏蔽

采煤機(jī)變頻電纜的屏蔽層作用包括：1）均勻電磁場(chǎng)，降低局部放電；2）起到接地保護(hù)作用，在絕緣破損情況下，與地線導(dǎo)通釋放泄漏電流。3）屏蔽電磁場(chǎng)對(duì)控制線芯及附近通信設(shè)備的干擾。對(duì)于固定敷設(shè)的電力電纜采用銅帶屏蔽和鎧裝結(jié)構(gòu)較容易實(shí)現(xiàn)上述功能，但采煤機(jī)電纜因?yàn)樾枰磸?fù)彎曲，必然需要軟屏蔽結(jié)構(gòu)，同時(shí)不降低屏蔽效果和抗彎曲性能，所以屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)于變頻采煤機(jī)電纜功能優(yōu)劣至關(guān)重要。為滿足上述多個(gè)功能，應(yīng)采用總屏蔽和分屏蔽雙層結(jié)構(gòu)，分屏蔽即兼作地線的絕緣（動(dòng)力線芯絕緣或控制線芯絕緣）屏蔽，總屏蔽采用銅絲編織或束繞于內(nèi)外護(hù)套之間，編織屏蔽會(huì)適當(dāng)降低柔軟性，但提高電纜強(qiáng)度，適用于無保護(hù)夾板的拖曳環(huán)境，束繞屏蔽仍然保持電纜的柔軟性，適用于彎曲半徑較小的工作場(chǎng)合。

3.4 護(hù)套

采煤機(jī)變頻電纜要求具備一定的機(jī)械物理性能和阻燃性能，采用氯丁膠為基料的阻燃護(hù)套,保證機(jī)械物理性能符合XH-30A護(hù)套的要求，同時(shí)阻燃性能也能滿足MT386-2011《煤礦用電纜阻燃性的試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》中單根垂直燃燒試驗(yàn)、負(fù)載條件下燃燒燃燒試驗(yàn)、成束燃燒試驗(yàn)要求。

4 產(chǎn)品的試制和檢測(cè)

根據(jù)上述原理和性能分析，進(jìn)行產(chǎn)品試制并進(jìn)行性能檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足MT818-2009中采煤機(jī)電纜要求。其中沖擊、擠壓、抗彎曲試驗(yàn)9000次等機(jī)械性能試驗(yàn)電纜各線芯未發(fā)生短路和斷路，抗干擾能力方面電纜屏蔽抑制系數(shù)（50Hz）小于0.7。

5 結(jié)語

變頻條件下的采煤機(jī)電纜設(shè)計(jì)重點(diǎn)是提高采煤機(jī)電纜抗干擾能力和諧波抑制水平，保證采煤機(jī)電纜在變頻條件下的安全性和使用壽命。上述設(shè)計(jì)方案經(jīng)試制和檢測(cè)，性能滿足設(shè)計(jì)要求，而成本與國外類似產(chǎn)品價(jià)格比不到三分之一，具有實(shí)用和推廣價(jià)值。

[1]MT818-2009.煤礦用電纜

[2] MT/T386-2011.煤礦用電纜阻燃性的試驗(yàn)方法和判定規(guī)則

[3] GB/T 3956-2008.電纜的導(dǎo)體

金鑫（1978—），男，工程師。2001年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在中煤科工集團(tuán)上海研究院測(cè)試中心主要從事礦用電纜質(zhì)量檢測(cè)工作，已發(fā)表4篇文章。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.105