10kVA真空照明信號綜合保護裝置的研制

摘 要：10kVA真空照明信號綜合保護裝置為礦用隔爆兼本質安全型，額定容量為10kVA，額定電壓為1140V/660V。本文主要介紹其大容量，實現遠距離送電，短路保護距離的校驗以及一些其他保護功能原理和本質安全型通訊功能。

關鍵詞：照明綜保；大容量；長距離；智能

1 概述

隨著煤礦開采技術的提高和礦井年產量的增加，大型、超大型礦井日益增多，礦井中的巷道越來越長，井下需要的照明距離也相應加長。《國家煤礦安全規程》相關規定指出：使用機車的主要運輸巷道、兼作人行道的集中帶式輸送機巷道、升降人員的絞車道以及升降物料和人行交替使用的絞車道，其照明燈的間距不得大于30m；綜合機械化采煤工作面，照明大門間距不得大于15m[1]。而且一些先進礦井實施亮化工程，要求燈具間距做到不大于10m，因此所需照明設備的數量也隨之增多，供電距離也不斷加長。目前，我國礦用隔爆型真空照明信號綜合保護裝置電源變壓器額定容量一般為2.5kVA、4.0kVA，難以滿足我國現有大型礦井的發展需求，為此，研發礦用隔爆兼本質安全型10.0kVA真空智能照明信號綜合保護裝置（以下簡稱“照明綜保”），為127V照明及信號負載提供可靠的供電、控制和保護。其主要特點具有容量大、保護距離長，保護功能全面、動作安全可靠等優點。

2 整體結構

外殼機構采用方形殼體結構，具有快開門門蓋結構，門蓋與殼身之間具有機械閉鎖結構，當隔離開關處于合閘狀態下門蓋無法打開。殼身上方設有接線腔，用于接入來自電源及其照明、信號負載和控制線的連線；殼身內部裝有10.0kVA電源變壓器、隔離開關、接觸器等組件；門蓋上裝有智能保護器、顯示屏、控制按鈕等。通過門蓋上的控制按鈕操作人員可以對照明綜保進行分閘、合閘及其參數的整定。

3 電源變壓器

本照明綜保電源變壓器采用10kVA大容量變壓器，一次電壓為1140V/660V，二次側電壓為133V。煤礦井下照明用防爆燈功率按60w計算，2.5kVA的照明綜保可以帶41盞防爆燈，4.0kVA的照明綜保可以帶66盞防爆燈，而10.0kVA的照明綜保可以帶166盞防爆燈；井下照明設備間隔按10m計算，即2.5kVA的照明綜保可以提供的照明長度為410m， 4.0kVA的照明綜保可以提供的照明長度為為660m，而10.0kVA的照明綜保可以提供的照明長度可達到1660m。由此可見，大容量的照明綜保可以滿足更加遠距離、更加亮化的照明供電需求。

4 顯示功能

照明綜保配有液晶顯示屏，可實時顯示當前系統狀態、三相系統電壓、三相系統電流、漏電阻值、工作頻率及其當前時間。與門蓋上的整定按鈕配合使用可實現對照明綜保的參數進行整定。

5 保護功能及其原理

5.1 短路保護

照明綜保短路保護通過對線路的電流取樣，采用鑒幅式特性進行保護。上文中通過10kVA電源變壓器容量計算所能提供的照明長度可達到1660m，但實際保護距離并不一定可以達到，在井下127V供電系統中，照明綜保短路保護電流整定值根據《煤礦井下低壓電網短路保護裝置整定細則》中供電電網中兩相最小短路電流整定值必須選用額定電流的1.2～1.5倍的規定[2]。照明綜保二次側額定電壓取其標稱電壓133V，則計算的10kVA電源變壓器二次側額定電流為43.4A，其兩相最小短路電流取其下限1.2倍，兩相最小短路電流計算：Id=43.4×1.2=52.08A，所以短路電流整定值確定為52A。

當照明綜保的二次側兩相最小短路電流整定值選定后，還要通過照明綜保的電源變壓器和所配用的電纜參數才能計算出最遠短路保護距離。本照明綜保二次側額定電流為43.4A，從電纜載流量方面考慮按配用電纜按6mm2計算。短路計算公式為：

（1）

10kVA電源變壓器線圈電阻值取R1=0.0495Ω，電抗值取X1=0.05Ω；6mm2電纜的電阻值取R2=3.13Ω/km，電抗值取X2=0.095Ω/km。帶入公式（1）得：

計算結果L=0.4km（理論計算值）。

即：照明綜保當選用6 電纜且短路電流整定值為52A時最大短路保護距離的理論值為400m。利用同樣的方法信號短路整定值按5A、選用2.5mm2計算可得保護距離為1100m（理論計算值）。當線路中的電纜使用其他截面積時，根據公式（1）帶入計算即可；如果實際要求短路保護距離大于上述計算值時，且所帶負載沒有達到滿負荷時可適當的減小短路電流整定值或采用截面積更大一些的電纜來實現。

5.2 其他保護功能及原理

照明綜保還具有以下保護功能：a.漏電和漏電閉鎖保護：采用附加直流的方法對線路絕緣電阻進行實時監測，實現保護；b.電壓保護：采用鑒幅式的方法對線路電壓取樣實現過電壓、欠電壓保護；c.風電閉鎖和瓦斯電閉鎖保護：保護器上有兩組輸入點，可接入瓦斯探測儀和風機開關連鎖點，實現對停風和瓦斯超標的報警功能。

6 本質安全型通訊

隨著我國科學技術的發展，數字化礦山成為我國煤炭行業的發展趨勢，實現煤礦井下變電所無人值班的自動化控制，可使煤炭生產更加高效、安全。本照明綜保具有上位通訊功能采用本質安全型通訊方式，在智能保護器內部添加了光耦隔離件使上位通訊更加安全可靠，采用標準的Rs_485通訊接口，Modbus通訊協議，可實現煤炭生產自動化控制的“四遙”功能。

7 結束語

本產品的成功研制，滿足了大型礦井大負荷照明供電的需要，可以減少礦井設備的投資，采用智能保護器各項保護功能達到國內先進水平，對煤炭生產有較大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]國家煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[2]煤礦井下低壓電網短路保護裝置整定細則[M].北京：煤炭工業出版社，2011.