礦用負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)分?jǐn)嗄芰ρ芯?/h1>
2020-08-27 07:26:58李燕杰房文景楊澤程
煤炭工程 2020年8期 關(guān)鍵詞：能力
李燕杰，賈 楠，房文景，楊澤程
(1.山西潞安(礦業(yè))集團(tuán)李村煤礦，山西 長治 046000；2.潞州區(qū)能源局，山西 長治 046000)
1 礦用負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)運(yùn)行工況
礦用負(fù)荷中心集高壓真空開關(guān)、干式變壓器、組合開關(guān)及保護(hù)裝置于一體，具有容量大、多路多電壓輸出、通訊集中、移動(dòng)方便等特點(diǎn)，在煤礦綜采工作面得到廣泛應(yīng)用。其中，高壓真空開關(guān)主要用于變壓器的通斷和保護(hù)，特別是短路故障。因此，供配電設(shè)計(jì)時(shí)，必須用配電網(wǎng)的最大三相短路電流校驗(yàn)其短路分?jǐn)嗄芰1]，以確保高壓真空開關(guān)的額定短路分?jǐn)嚯娏鞔笥谄渥罱c(diǎn)的三相短路電流。通常情況下，分?jǐn)嗄芰πｒ?yàn)均是以開關(guān)額定短路分?jǐn)嚯娏鳛闇?zhǔn)，然而受電網(wǎng)系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境、操作頻率等因素的影響，其實(shí)際分?jǐn)嗄芰⑿∮陬~定短路分?jǐn)嚯娏鳌?019年8月，李村煤礦發(fā)生一起負(fù)荷中心組合開關(guān)損壞事故，究其原因就是高壓真空開關(guān)斷路器短路分?jǐn)嗄芰Σ蛔?、拒分。?shí)物對(duì)比如圖1所示。
圖1 負(fù)荷中心組合開關(guān)損壞前后對(duì)比圖
負(fù)荷中心通常放置在工作面巷道列車或地軌上，隨工作面回采，每7～10d移動(dòng)一次，期間受巷道成型、單軌吊、地軌平直度等影響，時(shí)常伴隨有較強(qiáng)烈的顛簸、振動(dòng)；負(fù)荷中心每15d至少做一次斷電試驗(yàn)[2]，以檢驗(yàn)甲烷閉鎖效果；工作面巷道淋水多，相對(duì)濕度大，檢修頻繁?？傊?，負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)運(yùn)行環(huán)境惡劣，操作頻繁且時(shí)常帶負(fù)荷分?jǐn)唷?/p>
2 分?jǐn)嗄芰Ψ治?/h2>2.1 電網(wǎng)系統(tǒng)
當(dāng)前，真空開關(guān)斷路器的額定分?jǐn)嚯娏饔山涣鞣至康挠行е当碚鳎疤崾怯|頭分離時(shí)刻的直流分量不超過20%，衰減標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為45ms[3]。但隨著電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器容量增大、輸電網(wǎng)電壓等級(jí)提高以及快速切換裝置投入，各元件的X/R比值增大，致使短路電流直流分量百分?jǐn)?shù)提高，衰減時(shí)間常數(shù)增大。經(jīng)計(jì)算，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為45ms，假設(shè)快速切換裝置40ms分?jǐn)喙收希绷鞣至亢咳愿哌_(dá)41%，此時(shí)短路電流是交流分量和直流分量的疊加?？紤]直流分量影響后，斷路器實(shí)際分?jǐn)嗄芰?duì)應(yīng)的交流分量數(shù)值I1與額定分?jǐn)嚯娏鱅2的關(guān)系為：
式中，I1為斷路器分?jǐn)嗟慕涣鞣至坑行е?，kA；I2為斷路器額定分?jǐn)嚯娏?，kA；tm為斷路器最短分?jǐn)鄷r(shí)間，ms；tn為直流分量衰減標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)，ms；td為直流分量衰減實(shí)際時(shí)間常數(shù)，ms?？梢?，當(dāng)直流分量衰減時(shí)間常數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)時(shí)，K<1，表明斷路器實(shí)際分?jǐn)嗄芰Φ陀跀嗦菲黝~定分?jǐn)嗄芰?，直流分量衰減越慢，斷路器等效分?jǐn)嗄芰ο陆翟酱骩4]，大致為額定值的0.7～0.9。換言之，按短路電流交流分量校核斷路器分?jǐn)嗄芰r(shí)，要留有10%～30%的安全裕度[5]。
2.2 斷路器結(jié)構(gòu)
真空斷路器成功分?jǐn)嗟暮诵臈l件是確保介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度高于暫態(tài)電壓恢復(fù)強(qiáng)度，之所以采用高真空作為其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)就是因?yàn)楦哒婵站哂休^高的絕緣強(qiáng)度。此外，影響分?jǐn)嗄芰Φ闹T多要素最終都變現(xiàn)為觸頭熔焊，而觸頭的損壞程度取決于電弧能量。
A=0.45Evlt2
(2)
式中，A為電弧能量，J；E為電弧電位梯度，V/m，在大電流范圍內(nèi)可設(shè)為常數(shù)；l為動(dòng)靜觸頭距離，m；v為觸頭速度m/s；t為燃弧時(shí)間，s?？芍谄渌麠l件一定的前提下，電弧能量隨燃弧時(shí)間顯著提高，當(dāng)行程確定時(shí)，燃弧時(shí)間又取決于觸頭運(yùn)動(dòng)速度，尤其是剛分速度[6]。因此，研究真空斷路器的分?jǐn)嗄芰Γ瑥哪撤N意義上講就是設(shè)法增強(qiáng)介質(zhì)絕緣強(qiáng)度，提高觸頭剛分速度。
2.2.1 觸頭
真空電弧是一種高溫等離子體，弧體溫度可到七八千度，斷路器頻繁分?jǐn)啵绕涫菐ж?fù)荷操作，會(huì)使觸頭表面變得凹凸不平。一方面會(huì)引起接觸電阻增大，溫度上升，形成惡性循環(huán)；另一方面這些凹凸缺陷會(huì)引起周圍電場分布不均，部分區(qū)域甚至?xí)鰪?qiáng)幾十倍，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值后極易引起場致發(fā)射、真空擊穿，降低真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰7]。
2.2.2 滅弧室
高壓真空開關(guān)分合閘振動(dòng)信號(hào)為沖擊型非周期信號(hào)，分合閘瞬間運(yùn)動(dòng)觸頭的加速度可達(dá)500～1000g，運(yùn)行速度急速上升，與靜觸頭碰撞產(chǎn)生的沖擊力帶動(dòng)連桿與底座振動(dòng)。運(yùn)行中，滅弧室內(nèi)動(dòng)靜觸頭不斷分合，不斷承受機(jī)械應(yīng)力的作用，久而久之將引起滅弧室內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件老化，氣密性降低，絕緣強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)的分?jǐn)嗄芰档汀?/p>
2.2.3 分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)
剛分速度即兩觸頭分離時(shí)的瞬間速度。此時(shí)，動(dòng)力主要有觸頭彈簧壓力、儲(chǔ)能彈簧拉力、分?jǐn)嗑€圈勵(lì)磁力，阻力主要有永久磁體磁場力、各機(jī)械零件連接處的摩擦力、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重力等[8]。
1)觸頭彈簧。觸頭彈簧為壓簧，能夠保證開關(guān)合閘時(shí)動(dòng)靜觸頭間的接觸壓力，大小符合胡克定律：
F=kx
(3)
式中，F(xiàn)為壓應(yīng)力，N；k為彈性系數(shù)，N/m；x為壓縮量，m。
當(dāng)斷路器分合閘，尤其是帶負(fù)載分合閘時(shí)，動(dòng)靜觸頭間會(huì)產(chǎn)生高溫高壓電弧。高溫環(huán)境下，壓簧的材料內(nèi)部組織激活能增加，位錯(cuò)的滑移量增大，蠕變速率增加，且溫度越高，蠕變現(xiàn)象越顯著。材料蠕變將使其彈性系數(shù)下降，由式(3)可知，此時(shí)觸頭彈簧的壓應(yīng)力減小，進(jìn)而導(dǎo)致剛分速度下降[9]。楊茜[10]等試驗(yàn)實(shí)測，隨著環(huán)境溫度的升高，斷路器的平均分?jǐn)嗨俣韧瑯訒?huì)下降，并且值得注意的是，斷路器常溫狀態(tài)25℃歷經(jīng)兩個(gè)溫度等級(jí)的高溫試驗(yàn)后，即使再回到初始溫度，其分?jǐn)嗨俣缺茸畛醭貢r(shí)的速度減小了3.45%。
2)儲(chǔ)能彈簧。儲(chǔ)能彈簧為拉簧，因其功能簡單、可靠性高、維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，在斷路器中作為分?jǐn)鄤?dòng)力被廣泛使用。開關(guān)運(yùn)行中，儲(chǔ)能彈簧長期處于靜止的拉伸狀態(tài)，根據(jù)彈簧的應(yīng)力松弛理論，在位移不變的情況下，隨著時(shí)間的延長，初載荷逐漸減小，即隨著時(shí)間的積累，分?jǐn)鄤?dòng)力減小，斷路器的分?jǐn)嘈阅軙?huì)降低。黎小峰[11]等通過建立斷路器動(dòng)力學(xué)仿真模型，測的ZN12型高壓斷路器分?jǐn)鄰椈稍诜?2、24、48個(gè)月后，其應(yīng)力松弛量分別為其初始值的4.4%、8.3%、14.7%；分?jǐn)嗤瓿蓵r(shí)間由初始狀態(tài)的21ms，分別增加到23.4ms、25.7ms、30.1ms。
3)電容。 目前，高壓真空開關(guān)多為永磁操作機(jī)構(gòu)，其分?jǐn)嗑€圈的勵(lì)磁能量來自于電容器的電場儲(chǔ)能，通過向激磁線圈釋放能量，電能轉(zhuǎn)換為磁能，磁能再轉(zhuǎn)換成動(dòng)觸頭的機(jī)械能。儲(chǔ)能電容器的參數(shù)直接影響著永磁操作機(jī)構(gòu)真空斷路器的分合閘動(dòng)態(tài)性能。張來福[12]通過對(duì)不同電容量的永磁操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測試，得到電容器容量減少時(shí)，分?jǐn)嚯娏鞣逯禍p小，電壓減少較大，動(dòng)觸頭分?jǐn)嗨俣葴p低。
真空斷路器中的電容通常為電解電容，并且鋁電解電容居多，其電阻約占內(nèi)部阻抗的50%以上。分合閘時(shí)的操作大電流可達(dá)20A，頻繁分合閘將加速電解液揮發(fā)，加快電解液中的溶劑和可溶物之間或者可溶物和可溶物之間化學(xué)反應(yīng)，引起電解液的電導(dǎo)率降低，進(jìn)而導(dǎo)致電容的等效串聯(lián)電阻變大，靜態(tài)容量變小。此外，負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)與變壓器一體，開關(guān)內(nèi)部溫度高于電容器額定工作溫度。著名電容器制造商紅寶石公司指出：在紋波電流一定的情況下，電解電容的工作環(huán)境溫度每升高10℃，使用壽命就會(huì)縮短50%[13]?？傊?，受環(huán)境溫度與電容器內(nèi)部溫升的共同影響，負(fù)荷中心高壓真空斷路器的電容容量將縮小，壽命將縮短，分?jǐn)嘈阅軐⒅饾u降低。
4)電源電壓。斷路器控制回路通過電壓互感器(10kV/0.1kV)從主回路獲取能量。在控制回路中分成三路，一路直接給設(shè)備保護(hù)器供電，一路通過整流轉(zhuǎn)換為直流電為電容儲(chǔ)能，另一回路通過變壓器降壓、整流后連接到繼電器。當(dāng)斷路器負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路時(shí)，尤其是靠近開端處金屬性三相短路，巨大的電流會(huì)引起電壓互感器一、二次側(cè)電壓下降。趙鈺[14]依托故障模擬平臺(tái)，通過交流調(diào)壓器模擬控制回路的交流電壓，分別拾取100V、90V、70V時(shí)的斷路器分?jǐn)嗑€圈響應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)當(dāng)交流電壓減小時(shí)，峰值電流減小，分?jǐn)嗑€圈響應(yīng)時(shí)間增加。短路電流越大，響應(yīng)時(shí)間越長。
5)連桿機(jī)構(gòu)。受負(fù)荷中心移動(dòng)顛簸和頻繁分合閘操作時(shí)的振動(dòng)沖擊雙重影響，斷路器內(nèi)部機(jī)械連桿銜接處將發(fā)生偏移、卡澀、松動(dòng)、變形等現(xiàn)象，這些缺陷均會(huì)增加觸頭運(yùn)動(dòng)阻力，降低剛分速度，減低分?jǐn)嘈阅堋?/p>
可見，隨著運(yùn)行時(shí)間與分合閘操作次數(shù)的積累，高壓真空開關(guān)斷路器分?jǐn)嗄芰?huì)有所下降，加之電網(wǎng)直流分量的影響，其實(shí)際短路分?jǐn)嚯娏鬟h(yuǎn)小于額定短路開關(guān)電流。
3 優(yōu)化方案
3.1 科學(xué)設(shè)備選型
美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)指出[15]，考慮直流分量后，斷路器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于實(shí)際計(jì)算三相短路電流周期分量值的1.25倍，保留25%的余量。此外，長期運(yùn)行、頻繁操作，觸頭、滅弧室、分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)等部件磨損均易引起分?jǐn)嗄芰ο陆?，僅儲(chǔ)能彈簧應(yīng)力松弛影響就可能大于5%。因此，在新設(shè)備購置時(shí)，斷路器的短路分?jǐn)嚯娏饕Y(jié)合供電實(shí)際，并留有不少于30%的安全裕度。目前，礦用新型高壓真空開關(guān)研制時(shí)，將額定短路分?jǐn)嚯娏饔?2.5kA升級(jí)到25kA正是處于安全裕度考慮[16]。
3.2 合理定值匹配
綜采工作面單個(gè)負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)D2的電源通常直接引自采區(qū)變電所高壓配電裝置D1，即終端負(fù)荷只有一臺(tái)負(fù)荷中心，不存在總分關(guān)系。供電系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 綜采工作面負(fù)荷中心供電系統(tǒng)圖
鑒于D1安裝固定，環(huán)境干燥，分合閘操作較少，分?jǐn)嗄芰ο鄬?duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在定值匹配方面，可充分發(fā)揮其遠(yuǎn)后備保護(hù)作用。D2投入速斷和過流保護(hù)，定值計(jì)算參考《煤礦井下供電的三大保護(hù)細(xì)則》。D1投入速斷和限時(shí)速斷保護(hù)。其中，D1的限時(shí)速斷定值為D2的速斷定值的1.1～1.2倍，動(dòng)作時(shí)限為0.3～0.5s，D1的速斷定值由T2變壓器二次側(cè)三相短路時(shí)流過一次側(cè)的電流不小于1.5的靈敏度系數(shù)進(jìn)行逆向計(jì)算[17]。此時(shí)，即使D2分?jǐn)嗄芰Σ蛔?、拒分，D1可及時(shí)切除故障。
3.3 完善試驗(yàn)制度
電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程指出，高壓真空斷路器一般在大修后才進(jìn)行分、合閘時(shí)間測試[18]，周期相對(duì)較長。為及時(shí)掌握設(shè)備性能變化，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行條件，制定更切合現(xiàn)場實(shí)際的試驗(yàn)制度，明確試驗(yàn)項(xiàng)目，測試周期等。山西省煤生字第761號(hào)文件規(guī)定，除新裝和大修外，運(yùn)行中的高壓真空斷路器分、合閘時(shí)間測試周期為1～3a。
3.4 加強(qiáng)日常檢修
注重控制回路二次線緊固，操作連桿機(jī)構(gòu)整型、潤滑等。
4 結(jié) 語
受電網(wǎng)系統(tǒng)和運(yùn)行工況的共同影響，礦用負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰⒅饾u下降。實(shí)際供配電設(shè)計(jì)中，尤其是選用服役多年的舊設(shè)備時(shí)，不能簡單地將其額定短路分?jǐn)嚯娏髯鳛樾ｒ?yàn)依據(jù)，而是要保留不低于30%的安全裕度，并結(jié)合預(yù)防性試驗(yàn)、保護(hù)匹配等因素綜合分析。
猜你喜歡
消防安全四個(gè)能力發(fā)明與創(chuàng)新(2022年30期)2022-10-03 08:40:56 “一元一次不等式組”能力起航中學(xué)生數(shù)理化·七年級(jí)數(shù)學(xué)人教版(2022年6期)2022-06-05 06:50:58 培養(yǎng)觀察能力意林(兒童繪本)(2020年2期)2021-01-07 02:12:04 幽默是一種能力動(dòng)漫星空(興趣百科)(2020年12期)2020-12-12 05:31:40 加強(qiáng)品讀與表達(dá)，提升聽說讀寫能力作文成功之路·小學(xué)版(2020年5期)2020-06-11 12:48:46 培養(yǎng)觀察能力意林(兒童繪本)(2019年9期)2019-10-15 08:51:46 會(huì)“吵架”也是一種能力中國生殖健康(2019年10期)2019-01-07 01:21:14 大興學(xué)習(xí)之風(fēng) 提升履職能力人大建設(shè)(2018年6期)2018-08-16 07:23:10 能力提升篇新高考(英語進(jìn)階)(2018年1期)2018-04-18 14:00:11 你的換位思考能力如何文理導(dǎo)航·科普童話(2017年5期)2018-02-10 19:42:14
李燕杰，賈 楠，房文景，楊澤程
(1.山西潞安(礦業(yè))集團(tuán)李村煤礦，山西 長治 046000；2.潞州區(qū)能源局，山西 長治 046000)
1 礦用負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)運(yùn)行工況
礦用負(fù)荷中心集高壓真空開關(guān)、干式變壓器、組合開關(guān)及保護(hù)裝置于一體，具有容量大、多路多電壓輸出、通訊集中、移動(dòng)方便等特點(diǎn)，在煤礦綜采工作面得到廣泛應(yīng)用。其中，高壓真空開關(guān)主要用于變壓器的通斷和保護(hù)，特別是短路故障。因此，供配電設(shè)計(jì)時(shí)，必須用配電網(wǎng)的最大三相短路電流校驗(yàn)其短路分?jǐn)嗄芰1]，以確保高壓真空開關(guān)的額定短路分?jǐn)嚯娏鞔笥谄渥罱c(diǎn)的三相短路電流。通常情況下，分?jǐn)嗄芰πｒ?yàn)均是以開關(guān)額定短路分?jǐn)嚯娏鳛闇?zhǔn)，然而受電網(wǎng)系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境、操作頻率等因素的影響，其實(shí)際分?jǐn)嗄芰⑿∮陬~定短路分?jǐn)嚯娏鳌?019年8月，李村煤礦發(fā)生一起負(fù)荷中心組合開關(guān)損壞事故，究其原因就是高壓真空開關(guān)斷路器短路分?jǐn)嗄芰Σ蛔?、拒分。?shí)物對(duì)比如圖1所示。
圖1 負(fù)荷中心組合開關(guān)損壞前后對(duì)比圖
負(fù)荷中心通常放置在工作面巷道列車或地軌上，隨工作面回采，每7～10d移動(dòng)一次，期間受巷道成型、單軌吊、地軌平直度等影響，時(shí)常伴隨有較強(qiáng)烈的顛簸、振動(dòng)；負(fù)荷中心每15d至少做一次斷電試驗(yàn)[2]，以檢驗(yàn)甲烷閉鎖效果；工作面巷道淋水多，相對(duì)濕度大，檢修頻繁?？傊?，負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)運(yùn)行環(huán)境惡劣，操作頻繁且時(shí)常帶負(fù)荷分?jǐn)唷?/p>
2 分?jǐn)嗄芰Ψ治?/h2>2.1 電網(wǎng)系統(tǒng)
當(dāng)前，真空開關(guān)斷路器的額定分?jǐn)嚯娏饔山涣鞣至康挠行е当碚鳎疤崾怯|頭分離時(shí)刻的直流分量不超過20%，衰減標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為45ms[3]。但隨著電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器容量增大、輸電網(wǎng)電壓等級(jí)提高以及快速切換裝置投入，各元件的X/R比值增大，致使短路電流直流分量百分?jǐn)?shù)提高，衰減時(shí)間常數(shù)增大。經(jīng)計(jì)算，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為45ms，假設(shè)快速切換裝置40ms分?jǐn)喙收希绷鞣至亢咳愿哌_(dá)41%，此時(shí)短路電流是交流分量和直流分量的疊加?？紤]直流分量影響后，斷路器實(shí)際分?jǐn)嗄芰?duì)應(yīng)的交流分量數(shù)值I1與額定分?jǐn)嚯娏鱅2的關(guān)系為：
式中，I1為斷路器分?jǐn)嗟慕涣鞣至坑行е?，kA；I2為斷路器額定分?jǐn)嚯娏?，kA；tm為斷路器最短分?jǐn)鄷r(shí)間，ms；tn為直流分量衰減標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)，ms；td為直流分量衰減實(shí)際時(shí)間常數(shù)，ms?？梢?，當(dāng)直流分量衰減時(shí)間常數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)時(shí)，K<1，表明斷路器實(shí)際分?jǐn)嗄芰Φ陀跀嗦菲黝~定分?jǐn)嗄芰?，直流分量衰減越慢，斷路器等效分?jǐn)嗄芰ο陆翟酱骩4]，大致為額定值的0.7～0.9。換言之，按短路電流交流分量校核斷路器分?jǐn)嗄芰r(shí)，要留有10%～30%的安全裕度[5]。
2.2 斷路器結(jié)構(gòu)
真空斷路器成功分?jǐn)嗟暮诵臈l件是確保介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度高于暫態(tài)電壓恢復(fù)強(qiáng)度，之所以采用高真空作為其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)就是因?yàn)楦哒婵站哂休^高的絕緣強(qiáng)度。此外，影響分?jǐn)嗄芰Φ闹T多要素最終都變現(xiàn)為觸頭熔焊，而觸頭的損壞程度取決于電弧能量。
A=0.45Evlt2
(2)
式中，A為電弧能量，J；E為電弧電位梯度，V/m，在大電流范圍內(nèi)可設(shè)為常數(shù)；l為動(dòng)靜觸頭距離，m；v為觸頭速度m/s；t為燃弧時(shí)間，s?？芍谄渌麠l件一定的前提下，電弧能量隨燃弧時(shí)間顯著提高，當(dāng)行程確定時(shí)，燃弧時(shí)間又取決于觸頭運(yùn)動(dòng)速度，尤其是剛分速度[6]。因此，研究真空斷路器的分?jǐn)嗄芰Γ瑥哪撤N意義上講就是設(shè)法增強(qiáng)介質(zhì)絕緣強(qiáng)度，提高觸頭剛分速度。
2.2.1 觸頭
真空電弧是一種高溫等離子體，弧體溫度可到七八千度，斷路器頻繁分?jǐn)啵绕涫菐ж?fù)荷操作，會(huì)使觸頭表面變得凹凸不平。一方面會(huì)引起接觸電阻增大，溫度上升，形成惡性循環(huán)；另一方面這些凹凸缺陷會(huì)引起周圍電場分布不均，部分區(qū)域甚至?xí)鰪?qiáng)幾十倍，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值后極易引起場致發(fā)射、真空擊穿，降低真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰7]。
2.2.2 滅弧室
高壓真空開關(guān)分合閘振動(dòng)信號(hào)為沖擊型非周期信號(hào)，分合閘瞬間運(yùn)動(dòng)觸頭的加速度可達(dá)500～1000g，運(yùn)行速度急速上升，與靜觸頭碰撞產(chǎn)生的沖擊力帶動(dòng)連桿與底座振動(dòng)。運(yùn)行中，滅弧室內(nèi)動(dòng)靜觸頭不斷分合，不斷承受機(jī)械應(yīng)力的作用，久而久之將引起滅弧室內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件老化，氣密性降低，絕緣強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)的分?jǐn)嗄芰档汀?/p>
2.2.3 分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)
剛分速度即兩觸頭分離時(shí)的瞬間速度。此時(shí)，動(dòng)力主要有觸頭彈簧壓力、儲(chǔ)能彈簧拉力、分?jǐn)嗑€圈勵(lì)磁力，阻力主要有永久磁體磁場力、各機(jī)械零件連接處的摩擦力、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重力等[8]。
1)觸頭彈簧。觸頭彈簧為壓簧，能夠保證開關(guān)合閘時(shí)動(dòng)靜觸頭間的接觸壓力，大小符合胡克定律：
F=kx
(3)
式中，F(xiàn)為壓應(yīng)力，N；k為彈性系數(shù)，N/m；x為壓縮量，m。
當(dāng)斷路器分合閘，尤其是帶負(fù)載分合閘時(shí)，動(dòng)靜觸頭間會(huì)產(chǎn)生高溫高壓電弧。高溫環(huán)境下，壓簧的材料內(nèi)部組織激活能增加，位錯(cuò)的滑移量增大，蠕變速率增加，且溫度越高，蠕變現(xiàn)象越顯著。材料蠕變將使其彈性系數(shù)下降，由式(3)可知，此時(shí)觸頭彈簧的壓應(yīng)力減小，進(jìn)而導(dǎo)致剛分速度下降[9]。楊茜[10]等試驗(yàn)實(shí)測，隨著環(huán)境溫度的升高，斷路器的平均分?jǐn)嗨俣韧瑯訒?huì)下降，并且值得注意的是，斷路器常溫狀態(tài)25℃歷經(jīng)兩個(gè)溫度等級(jí)的高溫試驗(yàn)后，即使再回到初始溫度，其分?jǐn)嗨俣缺茸畛醭貢r(shí)的速度減小了3.45%。
2)儲(chǔ)能彈簧。儲(chǔ)能彈簧為拉簧，因其功能簡單、可靠性高、維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，在斷路器中作為分?jǐn)鄤?dòng)力被廣泛使用。開關(guān)運(yùn)行中，儲(chǔ)能彈簧長期處于靜止的拉伸狀態(tài)，根據(jù)彈簧的應(yīng)力松弛理論，在位移不變的情況下，隨著時(shí)間的延長，初載荷逐漸減小，即隨著時(shí)間的積累，分?jǐn)鄤?dòng)力減小，斷路器的分?jǐn)嘈阅軙?huì)降低。黎小峰[11]等通過建立斷路器動(dòng)力學(xué)仿真模型，測的ZN12型高壓斷路器分?jǐn)鄰椈稍诜?2、24、48個(gè)月后，其應(yīng)力松弛量分別為其初始值的4.4%、8.3%、14.7%；分?jǐn)嗤瓿蓵r(shí)間由初始狀態(tài)的21ms，分別增加到23.4ms、25.7ms、30.1ms。
3)電容。 目前，高壓真空開關(guān)多為永磁操作機(jī)構(gòu)，其分?jǐn)嗑€圈的勵(lì)磁能量來自于電容器的電場儲(chǔ)能，通過向激磁線圈釋放能量，電能轉(zhuǎn)換為磁能，磁能再轉(zhuǎn)換成動(dòng)觸頭的機(jī)械能。儲(chǔ)能電容器的參數(shù)直接影響著永磁操作機(jī)構(gòu)真空斷路器的分合閘動(dòng)態(tài)性能。張來福[12]通過對(duì)不同電容量的永磁操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測試，得到電容器容量減少時(shí)，分?jǐn)嚯娏鞣逯禍p小，電壓減少較大，動(dòng)觸頭分?jǐn)嗨俣葴p低。
真空斷路器中的電容通常為電解電容，并且鋁電解電容居多，其電阻約占內(nèi)部阻抗的50%以上。分合閘時(shí)的操作大電流可達(dá)20A，頻繁分合閘將加速電解液揮發(fā)，加快電解液中的溶劑和可溶物之間或者可溶物和可溶物之間化學(xué)反應(yīng)，引起電解液的電導(dǎo)率降低，進(jìn)而導(dǎo)致電容的等效串聯(lián)電阻變大，靜態(tài)容量變小。此外，負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)與變壓器一體，開關(guān)內(nèi)部溫度高于電容器額定工作溫度。著名電容器制造商紅寶石公司指出：在紋波電流一定的情況下，電解電容的工作環(huán)境溫度每升高10℃，使用壽命就會(huì)縮短50%[13]?？傊?，受環(huán)境溫度與電容器內(nèi)部溫升的共同影響，負(fù)荷中心高壓真空斷路器的電容容量將縮小，壽命將縮短，分?jǐn)嘈阅軐⒅饾u降低。
4)電源電壓。斷路器控制回路通過電壓互感器(10kV/0.1kV)從主回路獲取能量。在控制回路中分成三路，一路直接給設(shè)備保護(hù)器供電，一路通過整流轉(zhuǎn)換為直流電為電容儲(chǔ)能，另一回路通過變壓器降壓、整流后連接到繼電器。當(dāng)斷路器負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路時(shí)，尤其是靠近開端處金屬性三相短路，巨大的電流會(huì)引起電壓互感器一、二次側(cè)電壓下降。趙鈺[14]依托故障模擬平臺(tái)，通過交流調(diào)壓器模擬控制回路的交流電壓，分別拾取100V、90V、70V時(shí)的斷路器分?jǐn)嗑€圈響應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)當(dāng)交流電壓減小時(shí)，峰值電流減小，分?jǐn)嗑€圈響應(yīng)時(shí)間增加。短路電流越大，響應(yīng)時(shí)間越長。
5)連桿機(jī)構(gòu)。受負(fù)荷中心移動(dòng)顛簸和頻繁分合閘操作時(shí)的振動(dòng)沖擊雙重影響，斷路器內(nèi)部機(jī)械連桿銜接處將發(fā)生偏移、卡澀、松動(dòng)、變形等現(xiàn)象，這些缺陷均會(huì)增加觸頭運(yùn)動(dòng)阻力，降低剛分速度，減低分?jǐn)嘈阅堋?/p>
可見，隨著運(yùn)行時(shí)間與分合閘操作次數(shù)的積累，高壓真空開關(guān)斷路器分?jǐn)嗄芰?huì)有所下降，加之電網(wǎng)直流分量的影響，其實(shí)際短路分?jǐn)嚯娏鬟h(yuǎn)小于額定短路開關(guān)電流。
3 優(yōu)化方案
3.1 科學(xué)設(shè)備選型
美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)指出[15]，考慮直流分量后，斷路器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于實(shí)際計(jì)算三相短路電流周期分量值的1.25倍，保留25%的余量。此外，長期運(yùn)行、頻繁操作，觸頭、滅弧室、分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)等部件磨損均易引起分?jǐn)嗄芰ο陆?，僅儲(chǔ)能彈簧應(yīng)力松弛影響就可能大于5%。因此，在新設(shè)備購置時(shí)，斷路器的短路分?jǐn)嚯娏饕Y(jié)合供電實(shí)際，并留有不少于30%的安全裕度。目前，礦用新型高壓真空開關(guān)研制時(shí)，將額定短路分?jǐn)嚯娏饔?2.5kA升級(jí)到25kA正是處于安全裕度考慮[16]。
3.2 合理定值匹配
綜采工作面單個(gè)負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)D2的電源通常直接引自采區(qū)變電所高壓配電裝置D1，即終端負(fù)荷只有一臺(tái)負(fù)荷中心，不存在總分關(guān)系。供電系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 綜采工作面負(fù)荷中心供電系統(tǒng)圖
鑒于D1安裝固定，環(huán)境干燥，分合閘操作較少，分?jǐn)嗄芰ο鄬?duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在定值匹配方面，可充分發(fā)揮其遠(yuǎn)后備保護(hù)作用。D2投入速斷和過流保護(hù)，定值計(jì)算參考《煤礦井下供電的三大保護(hù)細(xì)則》。D1投入速斷和限時(shí)速斷保護(hù)。其中，D1的限時(shí)速斷定值為D2的速斷定值的1.1～1.2倍，動(dòng)作時(shí)限為0.3～0.5s，D1的速斷定值由T2變壓器二次側(cè)三相短路時(shí)流過一次側(cè)的電流不小于1.5的靈敏度系數(shù)進(jìn)行逆向計(jì)算[17]。此時(shí)，即使D2分?jǐn)嗄芰Σ蛔?、拒分，D1可及時(shí)切除故障。
3.3 完善試驗(yàn)制度
電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程指出，高壓真空斷路器一般在大修后才進(jìn)行分、合閘時(shí)間測試[18]，周期相對(duì)較長。為及時(shí)掌握設(shè)備性能變化，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行條件，制定更切合現(xiàn)場實(shí)際的試驗(yàn)制度，明確試驗(yàn)項(xiàng)目，測試周期等。山西省煤生字第761號(hào)文件規(guī)定，除新裝和大修外，運(yùn)行中的高壓真空斷路器分、合閘時(shí)間測試周期為1～3a。
3.4 加強(qiáng)日常檢修
注重控制回路二次線緊固，操作連桿機(jī)構(gòu)整型、潤滑等。
4 結(jié) 語
受電網(wǎng)系統(tǒng)和運(yùn)行工況的共同影響，礦用負(fù)荷中心高壓真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰⒅饾u下降。實(shí)際供配電設(shè)計(jì)中，尤其是選用服役多年的舊設(shè)備時(shí)，不能簡單地將其額定短路分?jǐn)嚯娏髯鳛樾ｒ?yàn)依據(jù)，而是要保留不低于30%的安全裕度，并結(jié)合預(yù)防性試驗(yàn)、保護(hù)匹配等因素綜合分析。
猜你喜歡
發(fā)明與創(chuàng)新(2022年30期)2022-10-03 08:40:56
中學(xué)生數(shù)理化·七年級(jí)數(shù)學(xué)人教版(2022年6期)2022-06-05 06:50:58
意林(兒童繪本)(2020年2期)2021-01-07 02:12:04
動(dòng)漫星空(興趣百科)(2020年12期)2020-12-12 05:31:40
作文成功之路·小學(xué)版(2020年5期)2020-06-11 12:48:46
意林(兒童繪本)(2019年9期)2019-10-15 08:51:46
中國生殖健康(2019年10期)2019-01-07 01:21:14
人大建設(shè)(2018年6期)2018-08-16 07:23:10
新高考(英語進(jìn)階)(2018年1期)2018-04-18 14:00:11
文理導(dǎo)航·科普童話(2017年5期)2018-02-10 19:42:14
