王 強(qiáng)

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦機(jī)電中心,山西 長治 046302)

隨著礦井智能化水平的不斷提升,對于礦井智能供電的要求隨之提高。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)測局印發(fā)《關(guān)于減少井下作業(yè)人數(shù)提升煤礦安全保障能力的指導(dǎo)意見》的通知[安監(jiān)總煤行(2016) 64號]提出: “大力推進(jìn)機(jī)械化、自動化、信息化、智能化,實(shí)施井下機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控、推廣應(yīng)用智能監(jiān)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)、變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守”。目前現(xiàn)代化礦井正在積極推進(jìn)井下固定硐室無人值守,井下變電所內(nèi)不設(shè)置固定運(yùn)行維護(hù)值班崗位,遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程操作由地面遠(yuǎn)方監(jiān)控主站完成,礦用高壓配電裝置作為井下供電系統(tǒng)的入口是實(shí)現(xiàn)無人值守的關(guān)鍵供電設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守,需要將原來人工就地操作及就地監(jiān)測的項目,由設(shè)備在遠(yuǎn)方甚至地面人員的監(jiān)控下安全可靠地替代人工自主完成。首先,目前傳統(tǒng)的礦用高壓配電裝置具備一定的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能,能夠監(jiān)測高壓配電裝置的電壓、電流、故障、絕緣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、功率測量等參數(shù),并且通過光纖等上傳至地面,無人值守時,應(yīng)增加重點(diǎn)監(jiān)測隔離觸頭處高壓大電流通過時發(fā)熱狀態(tài),隔離觸頭處發(fā)熱、拉弧、燒觸頭是主要存在的隱患;其次傳統(tǒng)的礦用高壓配電裝置能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行斷路器合分閘操作,但是斷路器隔離小車合分閘、接地刀合分閘需就地操作,無人值守必須實(shí)現(xiàn)斷路器隔離小車合分閘、接地刀合分閘遠(yuǎn)程控制,使得緊急狀況下可以遠(yuǎn)程隔離分閘避免事故擴(kuò)大化。斷路器隔離小車合分閘、接地刀合分閘的電動機(jī)構(gòu)設(shè)計是井下無人值守關(guān)鍵,因此設(shè)計了電動隔離盤車和電動接地刀等電動裝置,并進(jìn)行電氣邏輯設(shè)計[1-2]。

1 礦用智能高壓配電裝置電動隔離設(shè)計

目前礦用高壓配電裝置內(nèi)隔離開關(guān)不是傳統(tǒng)意義上刀閘開關(guān),而是斷路器小車通過斷路器連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)小車的進(jìn)退,實(shí)現(xiàn)進(jìn)線和出線動觸頭(統(tǒng)稱動觸頭)與腔體隔板上安裝的梅花靜觸頭之間的插入與拔出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合閘和分閘功能[3]。

實(shí)現(xiàn)井下無人值守,斷路器小車進(jìn)行隔離合分閘的操作就必須能夠遠(yuǎn)程控制其電動操作,目前的斷路器連桿機(jī)構(gòu)為人工操作,需要更換設(shè)計。

圖1 礦用高壓配電裝置隔離觸頭示意

1.1 電動隔離盤車設(shè)計

傳統(tǒng)礦用高壓配電裝置隔離,連桿機(jī)構(gòu)受現(xiàn)有的有限空間限制,無法通過安裝電機(jī)帶動連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動旋轉(zhuǎn),因此將原來的連桿機(jī)構(gòu)帶動斷路器小車進(jìn)退設(shè)計為電動底盤車帶動斷路器小車進(jìn)退車,如圖2所示。

如圖2所示,斷路器安裝在電動底盤車上,其進(jìn)車和退車由電動底盤車上的機(jī)構(gòu)帶動斷路器前后運(yùn)動,最終實(shí)現(xiàn)礦用高壓配電裝置的隔離開關(guān)的功能。電動底盤車具有手動操作和遠(yuǎn)程電動操作功能。

圖2 電動隔離盤車結(jié)構(gòu)示意

電動底盤車結(jié)構(gòu)如圖3所示,斷路器安裝在電動底盤車車架上,地面遠(yuǎn)程發(fā)出進(jìn)退車命令至保護(hù)器,然后傳至電動綜合保護(hù)裝置,控制驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),驅(qū)動電機(jī)通過離合器驅(qū)動減速器,減速器輸出端帶動鏈條旋轉(zhuǎn),鏈條和齒輪副上的一個齒輪同軸安裝帶動齒輪副旋轉(zhuǎn),齒輪副上另一齒輪同絲杠同軸安裝帶動絲杠旋轉(zhuǎn),螺母同車架固定,在絲杠旋轉(zhuǎn)的反作用力下帶動車架前進(jìn)和后退,實(shí)現(xiàn)電動底盤車前后運(yùn)動,完成斷路器的電動隔離功能。輔開連桿連接絲杠和輔開,實(shí)現(xiàn)絲杠到位信號的傳輸,輔開連桿動作,輔開常開和常閉點(diǎn)動作,輸出返回信號至盤車控制,作為位置和保護(hù)信號傳輸。

圖3 電動底盤車機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

1.2 電動隔離底盤車的保護(hù)功能

電動隔離底盤車在進(jìn)車和退車的過程中可能會出現(xiàn)線路破損、過載、機(jī)絲杠卡死等故障,為確保底盤車正常運(yùn)行,應(yīng)有一定的保護(hù)功能。

1.2.1 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

電動盤車由于制造公差和受力情況下造成絲杠扭曲鎖死,電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn),直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子在被卡死或長時間低速工作時,常伴隨大量熱量的產(chǎn)生,造成電機(jī)繞組過熱,進(jìn)而引起定子絕緣老化,縮短直流電機(jī)的使用壽命,甚至燒毀電機(jī)。因此,應(yīng)當(dāng)設(shè)置電機(jī)電流的閾值(閾值的大小與斷路器的重量、觸頭的插拔力通過試驗獲得),超過該值應(yīng)當(dāng)立即停車并報故障至主機(jī)[4]。

1.2.2 過流保護(hù)

通過電動底盤電機(jī)的電流應(yīng)符合電機(jī)的額定值,超過額定值時應(yīng)自動切斷,從而起到保護(hù)電機(jī)的功能。電動底盤小車開關(guān)動作到位后(即斷路器處于合閘位置或分閘位置時)電機(jī)電源回路應(yīng)能自動切斷,從而防止小車開關(guān)因過位而損壞開關(guān)柜,也能有效防止電機(jī)因過流而損壞。過流保護(hù)電流應(yīng)根據(jù)斷路器型號及運(yùn)行路程分段設(shè)置,如630 A/10 kV斷路器搖入時,過程前15 s為進(jìn)車至動靜觸頭接觸前,電流設(shè)置1.2 A,動靜觸頭接觸至停車電流設(shè)置5 A;搖出時,動靜觸頭接觸至分開電流設(shè)置5 A,動靜觸頭分開繼續(xù)后退至停車位置,電流設(shè)置1.2 A.這里電動隔離合分閘操作是動靜觸頭插入和拔出的過程,所以電路增大,具體閾值受電動隔離結(jié)構(gòu)、重量及觸頭結(jié)構(gòu)影響需要試驗確定。

1.2.3 狀態(tài)異常保護(hù)

電動隔離盤車出車過程中,如果斷路器在合閘位,則立即停止并反向運(yùn)動15 ms(時間可設(shè)置);進(jìn)車過程中,若斷路器處合閘位或接地刀合閘,則立即停車。避免出現(xiàn)帶電進(jìn)行隔離合分閘操作、避免接地狀態(tài)下合閘。

2 礦用高壓配電裝置電動接地刀設(shè)計

井下無人值守變電所不設(shè)固定的運(yùn)行維護(hù)人員,就要求運(yùn)行維護(hù)人員按規(guī)程操作,同時要求設(shè)備本質(zhì)安全,接地裝置能夠去除斷電設(shè)備的感應(yīng)電壓以及防止斷電狀態(tài)下誤送電,確保工人始終在斷電狀態(tài)檢修設(shè)備。

2.1 電動接地刀設(shè)計

如圖4所示,出線支柱依靠銅排硬性連接礦用高壓配電裝置出線側(cè),設(shè)備正常運(yùn)行時,出線支柱連接負(fù)荷側(cè)通電,接地觸頭及導(dǎo)線與出線連接支柱斷開,避免出線接地;當(dāng)工人需要斷電開門就地檢修,或者在無人值守時線路故障需要遠(yuǎn)程合閘接地刀,將故障電流接地以保護(hù)設(shè)備和人身安全時,地面遠(yuǎn)程操作發(fā)出命令至保護(hù)器傳至電動綜合保護(hù)裝置,電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動齒輪副,齒輪副帶動接地觸頭及導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)克服分閘彈簧的拉力與出線連接支柱相連,出線側(cè)接地,反之亦然。

圖4 電動接地刀機(jī)械示意

2.2 電動接地刀保護(hù)功能

2.2.1 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

電動接地刀在進(jìn)行合分閘操作時,電機(jī)運(yùn)行可能因為接地刀本身的機(jī)械故障而造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn),引發(fā)繞組電流的快速上升,從而引起絕緣材料的溫度升高。堵轉(zhuǎn)電流的閾值與產(chǎn)品結(jié)構(gòu),特別是分閘彈簧和分閘觸頭的結(jié)構(gòu)相關(guān),選用通過試驗獲得。

2.2.2 過流保護(hù)

電動接地刀在旋轉(zhuǎn)合閘的過程中,由空轉(zhuǎn)至合閘的過程,電路的過流保護(hù)的閾值需要分段標(biāo)定。如我公司630 A/10 kV礦用高壓配電裝置,電動空轉(zhuǎn)合閘過程前4 s,設(shè)置為3 A,開始合閘時設(shè)置為1.2 A;分閘過程前4 s設(shè)置為3 A,后面時間設(shè)置為1.2 A.電流分段時間及閾值,需要根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)試驗獲得。

2.2.3 狀態(tài)異常保護(hù)

電動接地刀合閘時,如果斷路器合閘,或者電動隔離小車合閘,則立即停車;電動接地刀分閘時,如果斷路器合閘,或者電動隔離小車合閘,則也應(yīng)立即停車。

3 電動裝置的電氣邏輯控制設(shè)計

由于需要遠(yuǎn)程電動操作,為滿足電氣五防要求,避免電氣安全事故,智能礦用高壓配電裝置的斷路器、電動隔離盤車及電動接地刀三者之間應(yīng)有一定的電氣互鎖邏輯設(shè)計。電氣五防要求具體如下:

1) 防止誤分、誤合斷路器。

2) 防止帶負(fù)荷合、分隔離開關(guān)。

3) 防止帶電合接地開關(guān)。

4) 防止合接地開關(guān)(帶接地線)合斷路器。

5) 防止誤入帶電間隔[6]。

斷路器、電動隔離盤車及電動接地刀的狀態(tài)通過無源輔組開關(guān)的節(jié)點(diǎn)傳至控制器進(jìn)行判斷,具體邏輯關(guān)系如圖5～圖7所示。

圖5 電動隔離底盤車進(jìn)車邏輯

電動控制器主控板接收到遠(yuǎn)方或就地電動底盤車或電動接地刀的控制指令時,先判斷是否滿足操作條件,如果滿足操作條件,則啟動閉鎖斷路器及其它設(shè)備的控制指令,并啟動電動隔離底盤車或電動接地刀及其電機(jī)電流監(jiān)測,并將電機(jī)電流值與記錄的正常值進(jìn)行比較,判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

圖6 電動隔離底盤車出車邏輯

圖7 電動接地刀合分邏輯

4 輔助監(jiān)控

為確保井下無人值守變電所礦用智能高壓配電裝置進(jìn)行合分閘操作的可靠性,使得遠(yuǎn)程(地面)操作人員有種“親臨現(xiàn)場、身臨其境”的可靠操作感覺,應(yīng)當(dāng)在其腔體內(nèi)部增加視屏監(jiān)控或熱成像儀,如圖8所示。

圖8 視頻監(jiān)控及熱成像儀畫面

觸頭視頻監(jiān)控,能夠?qū)⒁曨l發(fā)送至系統(tǒng),配合電動盤車遠(yuǎn)程合分閘,實(shí)現(xiàn)無人值守變電所遠(yuǎn)程操作如同工人就地操作,實(shí)時監(jiān)控觸頭嚙合狀況,確保停電和送電可靠性。

動靜觸頭嚙合關(guān)鍵部位安裝雙光譜在線測溫?zé)嵯駜x,集可見光和熱成像圖像為一體光探測器,全天候?qū)崟r監(jiān)測溫度,發(fā)現(xiàn)溫度異常時進(jìn)行聲音報警提醒,協(xié)助遠(yuǎn)程人員快速定位隱患點(diǎn)。真正實(shí)現(xiàn)井下安全可靠的無人值守。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

圖9為礦用智能高壓配電裝置示意,與普通礦用高壓配電裝置比較,礦用智能高壓配電裝置的電動隔離盤車和電動接地刀電動裝置的設(shè)計,能夠接受遠(yuǎn)程控制,替代原來人工就地手動操作的項目,實(shí)現(xiàn)了無人值守遠(yuǎn)程控制,是井下固定硐室智能化無人值守的關(guān)鍵。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在潞安化工集團(tuán)高河能源等礦井應(yīng)用。電動隔離盤車和電動接地刀的設(shè)計也可以使用在綜采面和掘進(jìn)面的移動變電站設(shè)備及其他電氣設(shè)備,真正代替人手動操作,安全、實(shí)用、可靠,具有很好的推廣前景。

圖9 礦用智能高壓配電裝置