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矿用智能高压配电装置用电动装置设计

2023-11-17 60 上传者：管理员

摘要：文章主要针对井下无人值守变电所用智能高压配电装置，为取代人工操作工序，设计了电动隔离盘车、电动接地刀等电动机构，并按照电气产品五防要求，进行了逻辑控制设计，使得矿用智能高压配电装置在安全可靠的前提下实现无人值守。

关键词：
无人值守
智能化
电动接地刀
电动隔离盘车
逻辑控制
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随着矿井智能化水平的不断提升，对于矿井智能供电的要求随之提高。国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监测局印发《关于减少井下作业人数提升煤矿安全保障能力的指导意见》的通知[安监总煤行(2016) 64号]提出： “大力推进机械化、自动化、信息化、智能化，实施井下机电设备智能监控、推广应用智能监控技术，实现井下排水系统、变电所远程监控和无人值守”。目前现代化矿井正在积极推进井下固定硐室无人值守，井下变电所内不设置固定运行维护值班岗位，远程监测、远程控制、远程操作由地面远方监控主站完成，矿用高压配电装置作为井下供电系统的入口是实现无人值守的关键供电设备。

为实现井下变电所无人值守，需要将原来人工就地操作及就地监测的项目，由设备在远方甚至地面人员的监控下安全可靠地替代人工自主完成。首先，目前传统的矿用高压配电装置具备一定的远程监测功能，能够监测高压配电装置的电压、电流、故障、绝缘监测、温度监测、功率测量等参数，并且通过光纤等上传至地面，无人值守时，应增加重点监测隔离触头处高压大电流通过时发热状态，隔离触头处发热、拉弧、烧触头是主要存在的隐患；其次传统的矿用高压配电装置能够远程进行断路器合分闸操作，但是断路器隔离小车合分闸、接地刀合分闸需就地操作，无人值守必须实现断路器隔离小车合分闸、接地刀合分闸远程控制，使得紧急状况下可以远程隔离分闸避免事故扩大化。断路器隔离小车合分闸、接地刀合分闸的电动机构设计是井下无人值守关键，因此设计了电动隔离盘车和电动接地刀等电动装置，并进行电气逻辑设计[1,2]。

1、矿用智能高压配电装置电动隔离设计

目前矿用高压配电装置内隔离开关不是传统意义上刀闸开关，而是断路器小车通过断路器连杆机构的转动实现小车的进退，实现进线和出线动触头(统称动触头)与腔体隔板上安装的梅花静触头之间的插入与拔出，进而实现合闸和分闸功能[3]。

实现井下无人值守，断路器小车进行隔离合分闸的操作就必须能够远程控制其电动操作，目前的断路器连杆机构为人工操作，需要更换设计。

图1 矿用高压配电装置隔离触头示意

1.1 电动隔离盘车设计

传统矿用高压配电装置隔离，连杆机构受现有的有限空间限制，无法通过安装电机带动连杆机构实现电动旋转，因此将原来的连杆机构带动断路器小车进退设计为电动底盘车带动断路器小车进退车，如图2所示。

如图2所示，断路器安装在电动底盘车上，其进车和退车由电动底盘车上的机构带动断路器前后运动，最终实现矿用高压配电装置的隔离开关的功能。电动底盘车具有手动操作和远程电动操作功能。

图2 电动隔离盘车结构示意

电动底盘车结构如图3所示，断路器安装在电动底盘车车架上，地面远程发出进退车命令至保护器，然后传至电动综合保护装置，控制驱动电机正转或反转，驱动电机通过离合器驱动减速器，减速器输出端带动链条旋转，链条和齿轮副上的一个齿轮同轴安装带动齿轮副旋转，齿轮副上另一齿轮同丝杠同轴安装带动丝杠旋转，螺母同车架固定，在丝杠旋转的反作用力下带动车架前进和后退，实现电动底盘车前后运动，完成断路器的电动隔离功能。辅开连杆连接丝杠和辅开，实现丝杠到位信号的传输，辅开连杆动作，辅开常开和常闭点动作，输出返回信号至盘车控制，作为位置和保护信号传输。

图3 电动底盘车机械结构示意

1.2 电动隔离底盘车的保护功能

电动隔离底盘车在进车和退车的过程中可能会出现线路破损、过载、机丝杠卡死等故障，为确保底盘车正常运行，应有一定的保护功能。

1.2.1 堵转保护

电动盘车由于制造公差和受力情况下造成丝杠扭曲锁死，电机发生堵转，直流电机的转子在被卡死或长时间低速工作时，常伴随大量热量的产生，造成电机绕组过热，进而引起定子绝缘老化，缩短直流电机的使用寿命，甚至烧毁电机。因此，应当设置电机电流的阈值(阈值的大小与断路器的重量、触头的插拔力通过试验获得),超过该值应当立即停车并报故障至主机[4]。

1.2.2 过流保护

通过电动底盘电机的电流应符合电机的额定值，超过额定值时应自动切断，从而起到保护电机的功能。电动底盘小车开关动作到位后(即断路器处于合闸位置或分闸位置时)电机电源回路应能自动切断，从而防止小车开关因过位而损坏开关柜，也能有效防止电机因过流而损坏。过流保护电流应根据断路器型号及运行路程分段设置，如630 A/10 kV断路器摇入时，过程前15 s为进车至动静触头接触前，电流设置1.2 A,动静触头接触至停车电流设置5 A;摇出时，动静触头接触至分开电流设置5 A,动静触头分开继续后退至停车位置，电流设置1.2 A.这里电动隔离合分闸操作是动静触头插入和拔出的过程，所以电路增大，具体阈值受电动隔离结构、重量及触头结构影响需要试验确定。

1.2.3 状态异常保护

电动隔离盘车出车过程中，如果断路器在合闸位，则立即停止并反向运动15 ms(时间可设置);进车过程中，若断路器处合闸位或接地刀合闸，则立即停车。避免出现带电进行隔离合分闸操作、避免接地状态下合闸。

2、矿用高压配电装置电动接地刀设计

井下无人值守变电所不设固定的运行维护人员，就要求运行维护人员按规程操作，同时要求设备本质安全，接地装置能够去除断电设备的感应电压以及防止断电状态下误送电，确保工人始终在断电状态检修设备。

2.1 电动接地刀设计

如图4所示，出线支柱依靠铜排硬性连接矿用高压配电装置出线侧，设备正常运行时，出线支柱连接负荷侧通电，接地触头及导线与出线连接支柱断开，避免出线接地；当工人需要断电开门就地检修，或者在无人值守时线路故障需要远程合闸接地刀，将故障电流接地以保护设备和人身安全时，地面远程操作发出命令至保护器传至电动综合保护装置，电机旋转带动齿轮副，齿轮副带动接地触头及导线旋转克服分闸弹簧的拉力与出线连接支柱相连，出线侧接地，反之亦然。

图4 电动接地刀机械示意

2.2 电动接地刀保护功能

2.2.1 堵转保护

电动接地刀在进行合分闸操作时，电机运行可能因为接地刀本身的机械故障而造成电机的堵转，引发绕组电流的快速上升，从而引起绝缘材料的温度升高。堵转电流的阈值与产品结构，特别是分闸弹簧和分闸触头的结构相关，选用通过试验获得。

2.2.2 过流保护

电动接地刀在旋转合闸的过程中，由空转至合闸的过程，电路的过流保护的阈值需要分段标定。如我公司630 A/10 kV矿用高压配电装置，电动空转合闸过程前4 s, 设置为3 A,开始合闸时设置为1.2 A;分闸过程前4 s设置为3 A,后面时间设置为1.2 A.电流分段时间及阈值，需要根据设计的结构试验获得。

2.2.3 状态异常保护

电动接地刀合闸时，如果断路器合闸，或者电动隔离小车合闸，则立即停车；电动接地刀分闸时，如果断路器合闸，或者电动隔离小车合闸，则也应立即停车。

3、电动装置的电气逻辑控制设计

由于需要远程电动操作，为满足电气五防要求，避免电气安全事故，智能矿用高压配电装置的断路器、电动隔离盘车及电动接地刀三者之间应有一定的电气互锁逻辑设计。电气五防要求具体如下：

1) 防止误分、误合断路器。

2) 防止带负荷合、分隔离开关。

3) 防止带电合接地开关。

4) 防止合接地开关(带接地线)合断路器。

5) 防止误入带电间隔[6]。

断路器、电动隔离盘车及电动接地刀的状态通过无源辅组开关的节点传至控制器进行判断，具体逻辑关系如图5～图7所示。

图5 电动隔离底盘车进车逻辑

电动控制器主控板接收到远方或就地电动底盘车或电动接地刀的控制指令时，先判断是否满足操作条件，如果满足操作条件，则启动闭锁断路器及其它设备的控制指令，并启动电动隔离底盘车或电动接地刀及其电机电流监测，并将电机电流值与记录的正常值进行比较，判断电机运行状态是否正常。

图6 电动隔离底盘车出车逻辑

图7 电动接地刀合分逻辑

4、辅助监控

为确保井下无人值守变电所矿用智能高压配电装置进行合分闸操作的可靠性，使得远程(地面)操作人员有种“亲临现场、身临其境”的可靠操作感觉，应当在其腔体内部增加视屏监控或热成像仪，如图8所示。

图8 视频监控及热成像仪画面

触头视频监控，能够将视频发送至系统，配合电动盘车远程合分闸，实现无人值守变电所远程操作如同工人就地操作，实时监控触头啮合状况，确保停电和送电可靠性。

动静触头啮合关键部位安装双光谱在线测温热像仪，集可见光和热成像图像为一体光探测器，全天候实时监测温度，发现温度异常时进行声音报警提醒，协助远程人员快速定位隐患点。真正实现井下安全可靠的无人值守。

5、现场应用情况

图9为矿用智能高压配电装置示意，与普通矿用高压配电装置比较，矿用智能高压配电装置的电动隔离盘车和电动接地刀电动装置的设计，能够接受远程控制，替代原来人工就地手动操作的项目，实现了无人值守远程控制，是井下固定硐室智能化无人值守的关键。目前该产品已经在潞安化工集团高河能源等矿井应用。电动隔离盘车和电动接地刀的设计也可以使用在综采面和掘进面的移动变电站设备及其他电气设备，真正代替人手动操作，安全、实用、可靠，具有很好的推广前景。

图9 矿用智能高压配电装置

参考文献:

[1]杨维义,许中.煤矿隔爆型高压真空配电装置的技术研究与发展趋势[J].煤矿机电,2008(2):44-46.

[2]杨光鹆.矿用防爆开关常见电弧的产生情况及防治措施[J].煤矿安全,2008(10):98-100.

[3]夏天伟,丁明道.电器学[M].第1版.北京:机械工业出版社,1999.

[4]黄新波,王海东.高压开关柜电动底盘车防堵转技术与应用[J].高压电器,2018,54(3):205-211.

[5]成大先.机械设计手册[M].第5版.北京:化学工业出版社,2014.

[6]国家电网公司.高压开关设备管理规范[M].第1版.北京:中国电力出版社,2006.

文章来源:王强.矿用智能高压配电装置用电动装置设计[J].煤,2023,32(11):105-108.