魏 杰 朱熀秋 周 超 孫玉坤

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

礦用隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心主要由高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)、隔爆型干式變壓器、低壓饋電開(kāi)關(guān)等組成。對(duì)隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心檢修發(fā)現(xiàn)各個(gè)部分均存在一定的技術(shù)缺陷，如負(fù)荷中心二次線圈至低壓頭連接線存在漏電、不能分?jǐn)喙收宵c(diǎn)的死區(qū)、隔爆干式變壓器線圈絕緣老化、鐵心過(guò)熱、噪聲大、有凝露等問(wèn)題。分析故障原因，及時(shí)改進(jìn)工藝，應(yīng)用新技術(shù)，對(duì)于保證礦用隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。為此，本文針對(duì)礦井隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心運(yùn)行過(guò)程中存在的安全隱患以及常見(jiàn)的電氣故障進(jìn)行分析并提出相應(yīng)解決措施。

1 隔爆干式變壓器常見(jiàn)問(wèn)題與解決措施

1.1 結(jié)構(gòu)部分存在的問(wèn)題與解決措施

目前，礦用隔爆型干式變壓器主要由磁心或稱鐵心、繞組、波紋外殼等組成。

1）結(jié)構(gòu)存在的技術(shù)問(wèn)題

（1）由于其波紋外殼兩側(cè)為直立波紋，因此機(jī)械強(qiáng)度低，散熱效率差。

（2）由于波紋外殼的上側(cè)和下側(cè)波紋的波峰或波峪為半圓型，與變壓器的器身吻合較差，因此外形高度尺寸大。

（3）由于其矩形截面導(dǎo)線的寬面沿扁圓形繞組的軸向平行排列，因此繞組的機(jī)械強(qiáng)度較差。

（4）由于構(gòu)成繞組層間的散熱通道或高壓繞組與低壓繞組間的絕緣散熱通道的撐條橫截面為矩形，因此，不但影響繞組散熱，而且其成本較高。

（5）由于其穿過(guò)波紋外殼的信號(hào)溫度控制引出線接線座采用樹(shù)脂將四只導(dǎo)電桿和安裝法蘭澆鑄成一體的整體結(jié)構(gòu)，易開(kāi)裂，成品率低，因此造價(jià)高、可靠性低。

2）解決措施

（1）在波紋外殼的兩側(cè)直立波紋外側(cè)各焊有導(dǎo)向散熱加強(qiáng)板，散熱面積較老式隔爆殼體的散熱面積要多出3～4倍，有效提高了變壓器整機(jī)的散熱效率。

（2）導(dǎo)向熱散熱加強(qiáng)板上可設(shè)有波紋槽或肋。

（3）波紋外殼上側(cè)或下側(cè)波紋的波峰或波峪為與磁心、繞組等構(gòu)成的器身相應(yīng)的弧形。

（4）繞制扁圓形筒式繞組的矩形截面導(dǎo)線的寬面沿扁圓形筒式繞組的軸向垂直排列。

（5）繞組層間散熱通道或高壓繞組與低壓繞組間的絕緣散熱通道采用橫截面為H形或凹形或L形的撐條。

（6）穿過(guò)外殼的信號(hào)溫度控制引出線接線座采用中心有孔的絕緣套和相應(yīng)的絕緣墊圈，且直接裝在波紋外殼端蓋設(shè)有的孔上，并用導(dǎo)電桿穿過(guò)絕緣套和絕緣墊圈固定的結(jié)構(gòu)。

1.2 線圈部分存在的問(wèn)題與解決措施

繞組一般采用圓筒式結(jié)構(gòu)，較大型電站線圈高壓側(cè)采用連續(xù)糾結(jié)式，繞組采用H級(jí)絕緣，具有良好的電氣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度及耐熱性能。

1）線圈部分存在的問(wèn)題（1）線圈首匝沖擊電壓影響較大，造成匝間短路。（2）線圈在緊固、浸漆時(shí)不好，造成線圈使用中長(zhǎng)期微震動(dòng)，產(chǎn)生磨損，線圈匝間絕緣損壞短路。

（3）由于鐵心及線圈自身發(fā)熱，熱積累較大，造成線圈絕緣老化。

（4）糾結(jié)線段與引線及分接點(diǎn)處引線圈距離近，造成放電。

（5）繞制線圈不圓滑，表面局部有凸起現(xiàn)象，造成匝間絕緣損壞。

（6）繞組中有負(fù)載電流通過(guò)時(shí),負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁引起繞組或磁屏蔽的振動(dòng)。

2）解決措施

（1）加強(qiáng)移動(dòng)負(fù)荷中心首匝絕緣，尤其是首匝彎折處絕緣，應(yīng)用聚酰亞胺薄膜加強(qiáng)絕緣，同時(shí)用拉緊帶進(jìn)行很好的固定，在焊接引線時(shí)用玻璃絲繩將焊接周圍絕緣包好，以免損傷絕緣。

（2）檢查線圈上下夾緊件，上下夾緊點(diǎn)一定要對(duì)齊，線圈浸漆時(shí)一定要采用真空壓力浸漆，干燥完要檢查線匝之間固定情況。

（3）由于干式變壓器采用空氣自冷，器身安裝在隔爆外殼內(nèi)，殼內(nèi)的熱量靠空氣對(duì)流和輻射傳遞到殼外，散熱條件較差。對(duì)檢修的移動(dòng)負(fù)荷中心要認(rèn)真檢查電站的絕緣有無(wú)老化現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行線圈大修理。

（4）糾結(jié)線段與距離引線要在25mm左右，分接點(diǎn)處引線與線圈距離在20mm左右。

（5）根據(jù)線圈的損壞程度，制作重繞線圈模具。

1.3 鐵心部分存在的問(wèn)題與解決措施

1）存在問(wèn)題

礦用隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心采用三相芯式疊狀結(jié)構(gòu)，采用高導(dǎo)磁晶粒取向冷軋電工硅鋼片，45°全斜接縫，檢修的移動(dòng)負(fù)荷中心發(fā)現(xiàn)存在如下問(wèn)題：

（1）硅鋼片加工毛刺較多，疊裝后壓破絕緣漆膜，漆膜脫落造成片問(wèn)短路。

（2）由于井下的特殊環(huán)境，鐵心剪口斷面受潮，表面銹蝕嚴(yán)重。

（3）由于絕緣件墊的不到位，造成45°斜接縫對(duì)接不好，鐵心發(fā)熱大。

（4）鐵心有多點(diǎn)接地現(xiàn)象。

（5）電源電壓過(guò)高，變壓器鐵心有噪聲。

（6）變壓器鐵心產(chǎn)生的磁致伸縮和硅鋼片的平面振動(dòng)，導(dǎo)致變壓器鐵心有噪聲。

2）解決措施

（1）鐵心疊裝時(shí)，認(rèn)真檢查損傷的硅鋼片，對(duì)有毛刺的、彎曲的、邊緣有卷邊的一律不使用。

（2）對(duì)鐵心的剪口斷面做防銹處理。

（3）檢查上下鐵軛所墊絕緣情況，保證45°斜接縫對(duì)齊。

（4）檢查鐵心接地情況，尤其是總裝殼體后。因?yàn)檫@時(shí)有可能由于吊裝壓緊件松動(dòng)，造成鐵心多點(diǎn)接地。

（5）檢查電網(wǎng)電壓，消除過(guò)電壓。

（6）鐵心結(jié)構(gòu)采用磁致伸縮小的硅鋼片、繞制鐵心過(guò)程中要注意工裝中心重合、硅鋼片受壓力均勻或采取無(wú)沖孔、全斜、臺(tái)階式交錯(cuò)接縫，上下鐵扼用低導(dǎo)磁鋼拉板固定，并用意大利高強(qiáng)度H200玻璃纖維綁扎粘帶緊固結(jié)構(gòu)，有效地降低了噪聲、空載損耗和空載電流，從而加強(qiáng)鐵心結(jié)構(gòu)的可靠性和先進(jìn)性。

2 高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)及低壓饋電開(kāi)關(guān)部分存在問(wèn)題與解決措施

2.1 存在問(wèn)題

從運(yùn)行情況來(lái)看，現(xiàn)在使用的移動(dòng)負(fù)荷中心存在一定的技術(shù)缺陷和安全隱患。

（1）高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)雖能帶負(fù)荷操作，但本身沒(méi)有保護(hù)，只能起到近似隔離開(kāi)關(guān)作用，且不能分?jǐn)喙收想娏鳌?/p>

（2）變壓器低壓繞組至低壓饋電開(kāi)關(guān)回路漏電時(shí)無(wú)法進(jìn)行保護(hù)。

（3）為了方便電站檢修，需在高壓頭前做增設(shè)高壓真空開(kāi)關(guān)進(jìn)行停送電操作，既增加了設(shè)備投資又使供電系統(tǒng)變的更為復(fù)雜。

（4）高壓電纜連接器容易出現(xiàn)故障，影響供電可靠性。

（5）低壓饋電開(kāi)關(guān)真空斷路器分?jǐn)啻箅娏髂芰^差，故障率較高。

（6）低壓饋電開(kāi)關(guān)綜保設(shè)備多為分立元件，可靠性差，故障率較高。

（7）存在技術(shù)缺陷，缺少相敏保護(hù)和斷相保護(hù)原理，使大功率的電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)整定難以滿足其靈敏度的要求。

2.2 解決問(wèn)題的技術(shù)措施

為解決上述問(wèn)題，引進(jìn)了新型開(kāi)關(guān)，如圖1所示。新型開(kāi)關(guān)高壓側(cè)為高壓配電裝置，低壓側(cè)為保護(hù)箱，是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的配置形式，其主要優(yōu)點(diǎn)為

圖1 高低壓開(kāi)關(guān)組合

1）新開(kāi)關(guān)具有完善的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，低壓側(cè)保護(hù)與高壓側(cè)保護(hù)形成雙重保護(hù)，解決了變壓器低壓側(cè)繞組至饋電開(kāi)關(guān)回路漏電不能分?jǐn)喙收宵c(diǎn)的死區(qū)問(wèn)題，并可根據(jù)電纜長(zhǎng)短進(jìn)行分布電容補(bǔ)償。

2）不必在移動(dòng)負(fù)荷中心前增設(shè)高壓真空配電裝置，減少了巷道占用空間，簡(jiǎn)化了停送電操作程序，維修方便、安全。

3）可省掉原有的高壓電纜連接器，提高了供電可靠性。

4）具有低壓保障分離高壓的控制和保護(hù)系統(tǒng)，突破了低壓饋電開(kāi)關(guān)真空斷路器的電流瓶頸，可避免因低壓側(cè)分?jǐn)嚯娏鞔笤斐傻墓╇姽收稀?/p>

5）增加了相敏保護(hù)，完善了起動(dòng)電流和遠(yuǎn)端短路電流的篩選，解決了大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和短路保護(hù)的整定問(wèn)題，而增設(shè)的斷相保護(hù)使得在發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)也能實(shí)施保護(hù)。

6）可在外部對(duì)各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行整定，方便快捷。

3 供電線路常見(jiàn)故障與解決方法

3.1 常見(jiàn)故障

1）在礦井供電系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的短路故障類型有三相短路、兩相短路和單相接地短路。

2）斷相故障是指電動(dòng)機(jī)的一種不正常運(yùn)行狀態(tài)，它是由于電源一相斷線造成的。絕大多數(shù)斷相運(yùn)行發(fā)生在采用熔斷器作為短路保護(hù)的供電系統(tǒng)中，由于一相熔斷器熔斷而造成了斷相運(yùn)行狀態(tài)，少數(shù)是由于導(dǎo)體斷線或接點(diǎn)脫落等引起的。

3）過(guò)載故障是煤礦井下供電系統(tǒng)的不正常運(yùn)行狀態(tài)，過(guò)載后電網(wǎng)的電流相位對(duì)稱，幅值大于整定電流，當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行溫度超過(guò)其允許溫升時(shí)，就要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。

4）由于礦井中大部分供電線路為電纜供電，井下空間狹小，環(huán)境惡劣，陰暗潮濕，供電電纜的受潮和機(jī)械損傷使電纜經(jīng)常發(fā)生單相漏電故障。

5）煤礦井下綜合采掘工作面使用的用電設(shè)備如異步電動(dòng)機(jī)等，多為感性負(fù)載。斷路器中多次電弧重燃會(huì)引起過(guò)電壓。

6）現(xiàn)代大型變壓器額定工作磁密一般為BN=(1.7～1.8)T，而飽和磁密BS=(1.9～2.0)T。兩者差不多，可見(jiàn)現(xiàn)代大型變壓器極易飽和，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)突然甩負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致變壓器電壓升高造成過(guò)勵(lì)磁，鐵心飽和后勵(lì)磁電流急劇增大，一方面危害金屬部件使得其溫升過(guò)高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成局部變形和損傷周圍絕緣介質(zhì)促使其老化。另一方面飽和后勵(lì)磁電流有許多高次諧波分量，渦流損耗與頻率平方成正比，因此造成變壓器嚴(yán)重過(guò)熱。

3.2 解決措施

1）針對(duì)上述各種短路故障時(shí)的電氣特征，三相對(duì)稱短路故障采用相敏保護(hù)原理，即通過(guò)檢測(cè)電流信號(hào)幅值大小和系統(tǒng)電壓、電流的相位差即功率因數(shù)，就可以有效的將起動(dòng)電流與短路電流區(qū)分開(kāi)來(lái)，使短路保護(hù)可靠性得到提高；其它幾種不對(duì)稱短路故障電網(wǎng)中都會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流分量，根據(jù)負(fù)序電流的大小來(lái)判斷不對(duì)稱短路故障，故采取斷相保護(hù)原理。

2）由于當(dāng)發(fā)生斷相故障后，電網(wǎng)中存在負(fù)序電流，所以斷相保護(hù)措施采用負(fù)序電流保護(hù)原理?；谪?fù)序信號(hào)檢測(cè)的保護(hù)原理就是利用故障線路中反映負(fù)序分量的電流作為故障判斷的依據(jù)，從而達(dá)到斷相和不對(duì)稱短路故障保護(hù)的目的。

3）根據(jù)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載故障特性，采用鑒幅式檢測(cè)和改進(jìn)的反時(shí)限動(dòng)作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)功能，即過(guò)載電流倍數(shù)越大，允許過(guò)載時(shí)間越短，過(guò)載電流倍數(shù)越小，允許過(guò)載時(shí)間越長(zhǎng)。反時(shí)限過(guò)載特性：tg=C/(K2-I)。

4）選擇基于零序功率方向的礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)技術(shù)作為礦用隔爆負(fù)荷中心選擇性漏電保護(hù)。該系統(tǒng)由總饋電開(kāi)關(guān)和分饋電開(kāi)關(guān)聯(lián)合構(gòu)成，總開(kāi)關(guān)采用附加直流電源檢測(cè)原理檢測(cè)是否發(fā)生漏電，分開(kāi)關(guān)采用零序功率方向檢測(cè)原理判斷發(fā)生漏電故障的線路。附加直流電源檢測(cè)原理與零序功率方向檢測(cè)原理的結(jié)合，可以保證電網(wǎng)漏電保護(hù)動(dòng)作的瞬動(dòng)性和電網(wǎng)對(duì)稱漏電時(shí)保護(hù)動(dòng)作電阻值的穩(wěn)定性，還可以有效的避免傳統(tǒng)單一方法無(wú)法對(duì)漏電故障線路做出有效選擇的弊端，最大程度的縮小因漏電保護(hù)造成的斷電范圍，既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時(shí)的橫向選擇性和縱向選擇性保護(hù)功能。

5）針對(duì)過(guò)電壓類型不同，暫態(tài)過(guò)電壓即過(guò)電壓值一般都超過(guò)2.5倍的額定電壓，甚至達(dá)到6倍額定電壓，為了避免引起電氣設(shè)備絕緣擊穿，通常采用的抑制和保護(hù)措施有：壓敏電阻抑制操作過(guò)電壓，保證過(guò)電壓不超過(guò)額定相電壓（峰值）的 2.5倍。穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓和欠電壓采用鑒幅式保護(hù)原理，線電壓經(jīng)電壓互感器 PT、整流電路 CU、濾波電路 FT等變換后送至PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，CPU對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣、判斷與處理。如圖2所示。

圖2 欠壓、過(guò)壓保護(hù)硬件框圖

6）如圖3所示，對(duì)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)，以測(cè)量電壓頻率比U1/f為依據(jù)的過(guò)勵(lì)磁保護(hù)原理框圖。圖中UV為中間變換器，其輸入端接電壓互感器二次側(cè)；輸出端接R、C串聯(lián)回路。電容C兩端電壓UC經(jīng)整流濾波后，接執(zhí)行元件。當(dāng)UC達(dá)到整定值，執(zhí)行元件動(dòng)作。

圖3 變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)原理

4 其他常見(jiàn)故障及解決措施

4.1 常見(jiàn)故障

1）由于礦用隔爆干式變壓器是密封的，故其散熱困難，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，繞組過(guò)載或內(nèi)部發(fā)生匝間短路故障時(shí)，也將會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。

2）由于井下濕度大，殼體內(nèi)外溫差大，導(dǎo)致凝露的產(chǎn)生。

3）礦井下存在大量瓦斯，濃度適當(dāng)時(shí)極易發(fā)生爆炸。

4.2 解決措施

1）針對(duì)過(guò)熱現(xiàn)象長(zhǎng)期存在對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性的影響，需增加溫度測(cè)量裝置對(duì)各個(gè)部分的溫度進(jìn)行測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而使得設(shè)備運(yùn)行更加安全。

2）通過(guò)加裝濕度傳感器STH75（如圖4所示）對(duì)井下適度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且使用銅水熱管進(jìn)行熱交換，均勻了殼體整體溫度，起到了抗凝露的作用。

圖4 STH75濕度傳感器

3）通過(guò)在隔爆干式變壓器內(nèi)部加裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)傳感器如采用KGS-20 型可燃?xì)鈧鞲衅?，該傳感器以二氧化錫為基本敏感材料的，專門(mén)用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。測(cè)量電路如圖5所示。對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，以采取相應(yīng)措施，保證生產(chǎn)安全。

圖5 瓦斯測(cè)量電路

5 結(jié)論

本文針對(duì)礦井隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心運(yùn)行過(guò)程中存在的安全問(wèn)題以及常見(jiàn)的電氣故障進(jìn)行綜合分析，針對(duì)存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)方法，本文提出的解決措施，對(duì)于保證礦用隔爆移動(dòng)負(fù)荷中心安全穩(wěn)定運(yùn)行有著參考價(jià)值。

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