房亮 周游

摘 要：文章對(duì)礦山設(shè)備的耐壓絕緣性以及變壓器如何調(diào)壓進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)變壓器的諸多缺點(diǎn)（體積、匝數(shù)、檢測(cè)周期等方面缺陷）進(jìn)行分析指正，這些缺陷對(duì)于測(cè)試礦山設(shè)備耐壓絕緣性。而通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)變壓器的調(diào)壓進(jìn)行分析，將變頻參數(shù)的理論引入變壓調(diào)節(jié)中，一改傳統(tǒng)變?cè)褦?shù)參數(shù)的辦法，同時(shí)利用諧振電路原理將變頻式變壓器應(yīng)用至設(shè)備絕緣耐壓性的檢測(cè)上。

關(guān)鍵詞：礦山；變頻器；諧振

礦山設(shè)備作業(yè)環(huán)境多處于井下，由于井下空間較之井上不但空間狹小，并且粉塵、振動(dòng)以及濕度都較大，且井下作業(yè)還伴隨瓦斯爆炸和塌方的威脅。并且大多數(shù)設(shè)備靠電能驅(qū)動(dòng)，因而電氣設(shè)備在絕緣上的性能關(guān)系到礦山生產(chǎn)的整體安全。但是設(shè)備的絕緣性能也容易受到外界環(huán)境變化的影響，電壓、化學(xué)環(huán)境都會(huì)引起絕緣性能劣化，從而導(dǎo)致設(shè)備短路引發(fā)火災(zāi)以及爆炸事故，因此礦山設(shè)備絕緣性能的保障十分重要。通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析，文章使用變頻參數(shù)替代傳統(tǒng)的變?cè)褏?shù)，通過(guò)諧振電路的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出變頻變壓器，以提高礦山耐壓絕緣檢測(cè)的及時(shí)性為目的，應(yīng)用變頻變壓器，在提高效率的同事減少了設(shè)備重量以及體積。

1 絕緣耐壓性能的檢測(cè)分析

1.1 動(dòng)力分析

礦山生產(chǎn)中，常見(jiàn)的設(shè)備包括供電、輸送、破碎、選礦、研磨、磁選以及浮選等設(shè)備。電能同樣是供電設(shè)備的運(yùn)行基礎(chǔ)，而其余設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置主要是同步電動(dòng)機(jī)以及異步電動(dòng)機(jī)，換言之，電能是礦山生產(chǎn)的能源基礎(chǔ)，而同步電動(dòng)機(jī)以及異步電動(dòng)機(jī)在劇烈震動(dòng)以及粉塵環(huán)境下，其絕緣性極易遭到破壞，而礦山的生產(chǎn)環(huán)境決定了輸送、破碎、選礦以及研磨和磁選、浮選設(shè)備必須具有良好的絕緣性能。因?yàn)?，一旦絕緣不良現(xiàn)象，就會(huì)使得設(shè)備外殼帶電，那么生產(chǎn)操作人員在工作時(shí)極易發(fā)生觸電事故，并且由于設(shè)備所處的井下環(huán)境較為特殊，若是設(shè)備發(fā)生三相短路或者兩項(xiàng)短路，則會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。因此如何提高井下設(shè)備耐壓絕緣性能，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。

1.2 傳統(tǒng)分析法

1.2.1 分析結(jié)構(gòu)

對(duì)變壓器匝數(shù)進(jìn)行改變，對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的性能測(cè)試原理圖，通過(guò)中交流調(diào)壓器對(duì)輸入電壓大小進(jìn)行調(diào)整，升壓變壓器是用來(lái)調(diào)整輸入電壓的，但是由于測(cè)量需要采用直流電壓因此，在升壓后需要通過(guò)整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，而設(shè)備中設(shè)置絕緣電阻的作用是用以防止當(dāng)設(shè)備絕緣老化后在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)擊穿短路。？滋A表的作用主要是用于對(duì)設(shè)備絕緣等級(jí)進(jìn)行測(cè)量。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型分析概述

變壓的數(shù)學(xué)模型為

（1）

則，

U1、U2是變壓器原副邊電壓，N1，N2則為原副邊線(xiàn)圈的匝數(shù)，f代表電源頻率。

上述公式根據(jù)相關(guān)變壓原理，在原邊加電壓是220V時(shí)，若是需要將電壓提至10KV，則需要對(duì)原副邊比例進(jìn)行增大，即K=45.45；若原邊匝數(shù)為20，那么副邊則需要匝數(shù)為909，如此一來(lái)，必然會(huì)增大實(shí)驗(yàn)裝置的體積，且重量必然也會(huì)隨之增大，而設(shè)備體積、重量的增加必然會(huì)加大投入提高成本，并且調(diào)壓器是通過(guò)對(duì)匝數(shù)的改變予以實(shí)現(xiàn)，因此調(diào)壓器同樣會(huì)使得設(shè)備的重量以及體積增加。由于礦山大多地處偏遠(yuǎn)，交通運(yùn)輸條件較差，這些都為設(shè)備的檢測(cè)帶來(lái)了問(wèn)題。很多檢測(cè)設(shè)備由于體積過(guò)大，導(dǎo)致其設(shè)備等生產(chǎn)原材料消耗過(guò)大，因而成本較高，這些不但延長(zhǎng)了設(shè)備的檢測(cè)周期，同時(shí)還會(huì)因?yàn)闄z測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致礦山設(shè)備事故的增加，因此檢測(cè)設(shè)備亟須予以改進(jìn)。

1.3 檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.3.1 變頻變壓數(shù)學(xué)模型分析

根據(jù)U1=4.44N1fΦ可以得出改變電壓的重要參數(shù)之一是頻率f，而礦山設(shè)備檢測(cè)設(shè)施的工作電源電壓通常為220V或者380V，而絕緣檢測(cè)需要輸出電壓達(dá)到10kV～50kV，而設(shè)備電壓的提升可以通過(guò)使用變頻器對(duì)工頻電壓進(jìn)行交流-直流-交流的變化，對(duì)輸出進(jìn)行大幅提高。

1.3.2 諧振變壓數(shù)學(xué)模型

在交流電路中電容和電感的性質(zhì)相反，作為電抗原件，對(duì)LC電路相關(guān)參數(shù)以及電源頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，若是電路兩端電壓以及電流出現(xiàn)了相同的情況，那么就產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。若是LC發(fā)生了串聯(lián)，那么諧振則被稱(chēng)為串聯(lián)諧振或者電壓諧振。通過(guò)對(duì)上述模型進(jìn)行分析，那么對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中，當(dāng)變頻器調(diào)整滿(mǎn)足f大小，則電路中容抗電壓和感抗電壓相應(yīng)被放大Q倍。由于感抗大于電路中的電阻，因此在容抗以及感抗上所放大的輸出電壓較大。當(dāng)Q=250電壓為220V時(shí)，電壓的可以被放大到550kV，這樣就能夠滿(mǎn)足礦山設(shè)備在檢測(cè)時(shí)所需要的電壓數(shù)值。

1.3.3 基于變頻器的耐壓測(cè)試結(jié)構(gòu)和，待測(cè)試品在加壓時(shí)顯示為容性，可以作為諧振電路中的容抗C，利用變頻器改變輸入電源的頻率，促使電路發(fā)生諧振，這樣原有的交流調(diào)壓器和交流升壓變壓器就被省去，極大地減小了礦山設(shè)備耐壓檢測(cè)體積和重量，同時(shí)制造成本也得到下降，便攜式高電壓變頻諧振耐壓試驗(yàn)裝置的生產(chǎn)成為可能。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》中有關(guān)電壓波形的規(guī)定：“試驗(yàn)電壓一般應(yīng)是頻率為46～64Hz的交流電壓，通常稱(chēng)為工頻試驗(yàn)電壓。按有關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，有些特殊試驗(yàn)可能要求頻率遠(yuǎn)低于或高于這一范圍?！睂?duì)于容量變化在一定范圍內(nèi)的試品，可以通過(guò)增加諧振電容器及多只電抗器組合的方式將變頻諧振試驗(yàn)頻率控制在工頻范圍內(nèi)，滿(mǎn)足工頻試驗(yàn)要求。變頻串聯(lián)諧振方式的設(shè)備重量體積和所需要的電源容量遠(yuǎn)低于普通變壓器，以200kVA/200kV系統(tǒng)為例，設(shè)備重量?jī)H為傳統(tǒng)試驗(yàn)變壓方式的1/10，采用該方式替代傳統(tǒng)方式可大大減輕現(xiàn)場(chǎng)工作量，適用于各類(lèi)中壓電纜的交流試驗(yàn)要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

變頻絕緣測(cè)試設(shè)備在礦山中的應(yīng)用在濾波特性上具有較高的優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)生的直流電壓較之于普通變壓器更穩(wěn)定可靠。對(duì)比傳統(tǒng)的設(shè)備變頻控制源具有較高的容量裕度，并且在保護(hù)功能以及穩(wěn)定性上較強(qiáng)，輸出波形較好，且能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境，具有多種模式。由于改變了工作原理，因此設(shè)備體積小、質(zhì)量小能夠方便搬運(yùn)攜帶，在測(cè)試場(chǎng)具有較高的靈活性，方便操作。且設(shè)備工作電源為220V或者380V，現(xiàn)場(chǎng)取電便捷，能夠及時(shí)有效的檢測(cè)礦山設(shè)備的絕緣性，提高機(jī)械設(shè)備的安全性。

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