煤礦大容量防爆產品接通與開斷檢驗技術研究

邵明杰

【摘要】 隨著科技的飛速發展，煤礦電器設備的容量和智能化水平不斷提高。本文在分析煤礦防爆產品發展形勢和相關國家及行業標準的基礎上，確定煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置的總體設計方案，并分別設計檢驗裝置試驗線路、飛弧檢測電路、電壓和電流檢測電路。實踐應用表明：該設計能夠滿足煤礦大容量防爆產品接通與開斷檢驗技術要求，試驗裝置具有測量精度高、穩定性好、安全可靠等優點。

【關鍵詞】 煤礦 大容量 接通與分斷 檢驗

一、前言

煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置，是衡量煤礦用防爆電器產品實驗室能

力重要標志性的試驗設備。它是煤礦防爆電器產品試驗必不可少的試驗設備。因此，設計完成從事大容量煤礦用防爆電器產品安全性接通和分斷能力檢驗裝置，是國家級實驗室必須具備檢驗能力標志，是保障我國煤礦的安全生產及供電系統的安全重要檢驗手段。

二、煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置總體設計方案

煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置主要由以下十部分組成：高壓開關柜組，額定容量4500 kVA、型式容量25000 kVA、短路阻抗1.8%的沖擊試驗變壓器，三組交流前級、后級負載阻抗，自動控制與微機數據采集試驗裝置，保護裝置，陪試裝置，電壓換接裝置，操作控制試驗臺，母線和試驗架構成。煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置由一臺額定電壓10/1.14kV（0.66kV、0.38kV） 、額定容量3500kVA、型式容量25000kVA、沖擊試驗變壓器作為總電源輸出，變壓器電源輸出通過電壓換接裝置轉換成3.3kV/1.14 kV /0.66 kV三組輸出電壓，采用刀閘切換改變沖擊變壓器輸出端的串、并聯及星、三角轉換，從而實現沖擊變壓器二次側的電壓調整， 試驗總體框圖如圖1所示[4]。

與開斷試驗檢驗裝置試驗總體框圖根據實驗要求進行電壓輸出；電壓換接裝置輸出實驗電壓后進行入低保裝置；低保裝置的功能是在出現試驗故障和異常時切斷輸出，保護阻抗裝置和試品，低保中主要器件是一個GN22-12C/3150高壓隔離開關和ZN60A-12/3150高壓真空斷路器；轉換裝置可根據試品的類型進行前、后級阻抗的切換；陪試裝置的主要功能是根據試驗程序進行合閘、分閘；前、后級負載阻抗是根據試驗所需參數進行電抗、電阻的調節，滿足試品的模擬負載條件。電抗器用無磁性材料的空芯電感線圈構成，每相有8個電抗元件串級組成，調節細度符合電流偏差不大于5%的要求，設計級差按Z5%=3.029uh。電阻器采用高溫電阻合金（0Cr25Al5），溫度系數5×10-5/℃，每相有32組元件串并聯構成，調節細度符合Cosφ偏差不大于±0.05，即最小級差：△R=0.21965mΩ。

控制與微機數據采集試驗裝置，能實現遠距離控制、操作和數據的時時采集，利用計算機和PLC的功能進行數據自動采集和處理將高頻暫態過程用數據和圖表的形式展示出來，實現開關電器試驗的自動化和可視化。數據采集系統硬件由線性光隔離放大器、通道板和計算機硬件平臺構成。其中通道板由4個高頻通道和12個低頻通道組成，高頻通道用來采集電弧熄滅瞬間開關觸頭兩端或熔斷器兩端的過電壓，低頻通道利用PLC的高精度A/D模塊和繼電器接點控制模塊實現采集電壓、電流信號的全過程數據。計算機輔助檢測數據管理系統能夠實現測量時間精度可達+0.5ms；電流測量精度+1.5%；選相開關及角度精度+1度；能可靠快速接通和關斷試驗電流、最短切換時間10ms。

煤礦用大容量防爆電器所控制的負載都是接在開關的后面，所以模擬實際負載的阻抗也應該接在被試電器后面。這樣，試驗過程中觸頭間存在電弧時，被試電器各極間的電壓將接近于電路的額定電壓，使產生相間飛弧的情況下，被試電器各極間的電壓將接近于電路的額定電壓，使產生相間飛弧的條件接近與實際情況[5]。但在試驗過程中可能由于發生相間短路產生較大的故障電流，為了限制故障電流，允許在被試電器觸頭和電源之間接入一定的前級阻抗（前級阻抗與電源內阻值之和不得大于實驗電路總阻抗值的0.1倍）。

煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置試驗線路主要由電源、前級阻抗、試品、后級阻抗、限流電阻和熔斷器等組成，主電路分為單極電器的單相交流或直流試驗電路、雙極電器的單相交流或直流試驗電路、三極或者3個單極電器的三相交流試驗電路及四極電器的三相四線交流試驗電路，本文以三極三相交流試驗電路為例，試驗線路如圖2所示。

3.1 飛弧檢測

飛弧電路是驗證煤礦用大容量防爆電器在通斷能力試驗中是否發生對地或極間飛弧短路的一種試驗電路，由圖3中限流電阻RL、熔斷器FU、電源中性點N和被試樣品外殼P組成的支路為飛弧檢測電路。

試驗過程中判斷有無飛弧根據飛虎檢測電路中熔斷元件是否熔斷來判斷。 由于試驗時噴出的飛弧與熔斷元件相連的試品接地部件之間有一定的電位差，當噴出的電弧附近的空氣被電離成導電狀態或直接噴射到接地部件后，總有一定的電弧電流要經過飛弧限流電阻RL和熔斷元件FU到達電源中性點。如果此電流足夠大或持續時間長，即I2t足夠大，可使FU熔斷。飛弧限流電阻值RL的計算方法如下式所示：

煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗試驗時電流值較大，本文選用Rogowski線圈對試驗線路中的電流進行測量。Rogowski線圈等效電路如圖3所示，圖中Rogowski線圈感應電動勢用E表示，電路采樣電阻用R2表示，Rogowski線圈不同匝間電容用C表示，Rogowski線圈內阻為R1，Rogowski線圈自感用L表示。

試驗過程電壓幅值較高，常用的儀器儀表不能承受，所以本文設計橋式分壓電路來測量試驗電壓，電路如圖4所示，測量時被測部位與a、b兩端連接即可。圖中R1、R2是附加的標準電阻，其中R1=9R2，這樣c、d兩端點的電壓為被測電壓信號的1/10，它對地電壓只等于被測電壓的1/20。

四、結論

本文在國家煤礦電氣產品通斷試驗相關標準的基礎上，研制煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗檢驗裝置。裝置主要用于考核電器產品在正常工作和短路狀態下開關的最大負荷分斷能力及該種狀態下能否可靠分斷供電線路且電器不發生觸頭熔焊、拉弧及其它可引起電氣絕緣降低的現象。實踐證明：檢驗裝置可以按照預期要求完成煤礦大容量防爆產品接通與開斷試驗，為煤礦井下防爆電氣產品安全性提供可靠的試驗手段和技術支持，對于保障煤礦的安全生產和井下工作人員的安全具有重要的意義。

參考文獻

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[5] 同向前，寧大龍，夏偉.申明串聯IGBT的一種復合均壓方法[J].電工技術學報 2012（3），153-158