煤礦隔離開關分斷能力試驗技術探析

＊韓 煜

（晉能控股集團煤業公司同家梁礦 山西 037003）

引言

近年來隨著科技的發展，新的生產技術的應用，我國煤礦安全生產情況雖有好轉，但由于資源的不可再生，及開采難度的增大，受礦井深度及復雜的井下形式，各種危險事故常有發生。同樣機電設備引起的安全事故也是引發煤礦安全的主要原因，嚴重時其火花可以引起瓦斯爆炸。這就凸顯出礦用隔離開關在實際生產中的作用，它是煤礦井下應用較廣的的設備元件，其主要的分斷能力能檢驗出礦用隔離開關的安全性能，屬于實驗和研發過程中的重要項目。在煤礦電網中起到電氣隔離、無載換向和下一級接觸器故障情況下分斷故障電流的作用。

1.分斷電弧理論

礦用隔離開關的組成包括由雙滅弧系統和雙操作機構兩個大的部分。滅弧系統主要作用于電流的分斷以及隔離電氣；操作結構主要為其提供動力，礦用隔離開關就是通過兩者的密切的配合來實現基本的分斷功能，從而保證設備人員的安全，避免了產生飛弧，引發額外的漏電現象，造成短路，氣體可以作為理想介質，認為可以完美的阻斷電流，在兩端各施加電壓，其空隙中沒有檢測到電流。但是在實際生產過程中不存在理想狀態，空氣中因為各種射線的影響，都會導致產生一定數量的帶電粒子，當氣體兩端產生電壓差時，就會形成電場，導致帶電粒子發生定向運動，產生電流。當電壓達到一定數值后，電流也將迅速增加，從而使氣體導電，失去絕緣能力。氣體的這種絕緣狀態變化，稱之為氣體擊穿。從而產生電弧，造成不同類型的放電。

在發熱角度上，電弧屬于純電阻性元件，消耗的電功率可以通過以下公式計算：

注：Ih為弧柱電流，A；

U0為近陰極和近陽極的壓降和，V；

UZ為弧柱壓降，V。

由此得出：電弧消耗的功率Ph等于近陰、近陽極以及弧柱3個部分消耗功率之和。電弧產生的功率損耗一方面導致自身溫度升高，另一方面通過熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式傳遞到周圍介質。

注：Pcd為傳導散熱功率；

Pdl為對流散熱功率；

Psf為輻射散熱功率。

動、靜觸頭之間承受弧隙電壓，但不發生重燃現象，是礦用隔離開關分斷中最為本質的要求。弧隙電壓存在恢復過程，其主要與弧隙介質的回復強度有關，都屬于一個物理過程。其電弧最易發生重燃現象，如何調節弧隙恢復電壓與弧隙介質強度成為關鍵，交流電弧熄滅具備的條件如以下公式：

注：uif(t)為弧隙的介質恢復強度，V；

uhf(t)為弧隙的恢復電壓，V。

2.分斷系統設計

按照國家推薦標準（GB/T 5590-2008）以及行業標準（MT/T 111-2011、MT/T 971-2005）的規范要求，必須保證電動機起動器的額定電壓或保持在1.05倍工作電壓、功率因數0.35±0.05試驗條件下3次分斷額定或3～6倍額定電流能力，然后依次進行正、反向6次分斷試驗檢驗。

此試驗系統由試驗線路、控制系統、數據采集系統三部分組成，其系統結構如圖1所示。

圖1 礦用隔離開關分段試驗系統結構圖

(1)線路設計

本試驗線路主要有高壓配電柜、沖擊試驗變壓器、高低壓保護柜、負載阻抗、低壓開關柜組成，其結構如圖2所示。沖擊試驗通過改變輸出端的連接方式，來進行二次側的電壓調整，將10kV的電網電壓分別轉換成分斷試驗用380V、660V、1140V三種電壓。通過前、后兩級阻抗的對比，形成不同的連接方式，來進行調整整個回路使用的電流與功率因數。高、低壓保護柜用于控制和保護中試驗回路的高、低電壓。同樣低壓開關柜由前級、后級陪試柜組成，分別用于礦用隔離開關的前后端，可以用于不同類型的實驗模擬。

圖2 試驗線路結構圖

(2)控制系統

此次分斷試驗主要采用的是雙PLC聯合控制系統，PLC信號輸出端發出信號，并直接與高壓配電柜、低壓保護柜、高低壓開關柜連接，實驗中通過對線路設備的投入和切斷的有效調節，來達到實驗目的。將PLC2輸出端連接到試驗中驅動機構的控制端，以此來調節隔離開關的各項參數，同時實現驅動機構動作角度、運動方向的調節，來達到與PLC相互協同、共同運動的功能。在接收PLC動作信號的同時，合理設置延時時間，保障在電流滿載后立即進行分斷控制。

(3)數據系統的采集

數據的采集、處理單元主要由電流、電壓互感器、數據采集卡、積分器、工業計算機共同組成。通過各個電路元件的相互組合，對采集到的信號進行合理的處理，將其轉換成對應的實際數據，并進行進一步的數據統計、處理。并通過對電磁場的感應，形成感應電動勢，并通過對其輸出信號的積分運算，通過一系列的轉換成為電流信號。

3.試驗操作流程

當進行試驗操作時，要確定斷路器的完好及相關位置，并確定額定電流、額定電壓（400A，1140V），同時嚴格按照實驗的操作流程，按照步驟開展實驗，正確得到A相電壓、電流的波形示意圖（如圖3）。通過示意圖可知：電流、電壓的大小、持續時間分別為400A，1140V，140ms，當實驗停止時，同樣按照操作規范，按照順序關掉各開關。

圖3 分段試驗曲線圖

4.結語

通過對礦用隔離開關的分斷設計試驗，并重新改組設計了線路系統，非常有效的避免了接觸部分過熱、瓷質絕緣損壞和閃絡放電等常見故障。以及減少了隔離開關拉、合過程中會引起電弧，燒傷觸頭，使接觸電阻增大的現象。充分證明了系統設計比較合理非常有效、性能穩定，實際應用性強，并為現場的安裝提供了有利的技術支撐。