祁美華，侯 姍

（晉中職業(yè)技術(shù)學院 山西 晉中 030600）

1 概述

在煤礦井下，通常存在一定量的甲烷混合氣體。隨著溫度的升高，當濃度達到一定的值，一旦有微小的火星，都極容易引起煤塵爆炸[1]。因此，在額定工作狀態(tài)為工頻3300V 交流供電線路中，應(yīng)當選用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型組合開關(guān)（以下簡稱組合開關(guān)）以控制三相交流電動機的起停、雙速切換，并且能保護電動機和供電線路。

2 組合開關(guān)結(jié)構(gòu)特征

2.1 總體結(jié)構(gòu)

具有抽拉功能，額定電流為400A/350A。驅(qū)動單元元器件有：熔斷器、真空接觸器、中間繼電器、電抗器、過電壓吸收裝置等。在前側(cè)板上裝有輸入、輸出顯示組件，可以直接顯示數(shù)據(jù)。在機芯架后面安裝有電流互感器，主要用于采樣電流信號。控制電路和控制系統(tǒng)通過接插件與組合開關(guān)實現(xiàn)連接。驅(qū)動單元通過軌道送入固定位置，控制對接自動完成。螺栓固定主回路[4]。

組合開關(guān)的主腔左側(cè)為DSP保護控制單元，它的作用就是對所有驅(qū)動器起到保護與控制[5]。

組合開關(guān)箱體使用鋼板制作，其密封性能較好，本安性能和防爆性能滿足國家相關(guān)安全規(guī)定。箱體整體安裝在長方形的支座上，主要由由四部分組成，分別是主腔、接線腔、輸入、電纜連接器和輸出電纜連接器。

組合開關(guān)的接線腔左前側(cè)，固定有一組進線接線端子排，接線腔的側(cè)面設(shè)置了控制回路引入裝置，在接線腔內(nèi)通過接線端子排連接到組合開關(guān)[2]。

組合開關(guān)的主腔右側(cè)分為上下兩部分，上部主要安裝有可帶載分斷的隔離換相開關(guān)、高壓熔斷器以及電壓互感器等器件[3]。下部為驅(qū)動機芯架，其上安裝了驅(qū)動單元，

3 工作原理及功能

3.1 主回路接線及工作原理

主回路三相電源為3300V，進線首先連接進線電纜連接器、依次接入主隔離換相開關(guān)、真空接觸器、出線電纜連接器，最后連接到負載。隔離換相開關(guān)有“正”或“反”兩個檔位，手動操作開關(guān)時，對應(yīng)的輔助觸點閉合，為真空交流接觸器的吸合做好準備[6，7]。

電流互感器檢測三相電流，二次側(cè)電流值通過DSP系統(tǒng)的采樣、運算、處理后，控制主回路，達到對電動機的保護功能。每一回路的輸出端都安裝有阻容保護裝置，防止主電路中過電壓燒壞電機。

3.2 主要功能

（1）起動、停止

系統(tǒng)自動采集主回路電流信號，經(jīng)過濾波，對信號進行識別，從而判斷開關(guān)的運行狀態(tài)。一旦起動信號的線路發(fā)生短路，系統(tǒng)將立即發(fā)出中斷命令，顯示器顯示“先導短路”故障，并報警。當信號在2-5S內(nèi)由啟動變?yōu)檫\行，并且被控電路正常時，發(fā)送“起動”命令，漏電閉鎖檢測回路斷開，閉合中間繼電器，接通真空接觸器，電機啟動運行。在真空接觸器起動和系統(tǒng)正常運行過程中，系統(tǒng)始終保持監(jiān)測狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)中間繼電器或真空接觸器出現(xiàn)故障，則“發(fā)出”分斷命令，同時斷開真空接觸器，電機停止運行。

（2）保護功能

短路保護其整定范圍大約是（3～8）倍額定值。當線路中電流值大于整定值時，保護系統(tǒng)立即發(fā)出信號，斷開中間繼電器和真空接觸器，電動機停止運行，對供電線路和電機實現(xiàn)了保護。

過載保護為反時限特性。反映了三個量即過載保護時間、負載電流與額定電流之間的關(guān)系。當If＝1.2IN，過載保護時間約20min；當If＝1.5IN時，保護時間縮短為3min；當If＝6IN時，為起到快速保護的作用，時間設(shè)定為小于14S。

斷相保護采用采集三相回路電流進行比較的方法實施保護。若系統(tǒng)采集到三相電路中有兩相電流的有效值達到0.58倍，且保持的時間超過2分鐘時，控制電機的繼電器斷開，中間繼電器斷開，交流接觸器斷開，電機停止運行，對供電線路和電機實現(xiàn)了保護。

過壓、欠壓保護時，系統(tǒng)采集主回路電壓值，通過轉(zhuǎn)換、自動運算后，進行比較，當Ujs＜0.75UN或Ujs＞1.10UN時，控制電機的中間繼電器斷電，真空接觸器斷開，主回路斷開，電機停止運行，保護了電機和線路。

漏電閉鎖和后備保護。出現(xiàn)漏電情況時，如果接收到起動命令，也鎖定不執(zhí)行，當系統(tǒng)檢測到故障狀態(tài)時，系統(tǒng)后備保護功能立即輸出跳閘信號，使前級開關(guān)分閘，斷開線路，防止了故障的擴大。

（3）通訊及顯示功能

組合開關(guān)可以通過MODBUS或以太網(wǎng)實現(xiàn)自動化網(wǎng)的信息通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。中文液晶頁面可以直觀地體現(xiàn)各個模塊的當前狀態(tài)；實現(xiàn)人機互動、通訊功能。并且能顯示當前電壓值、電流值、功率和絕緣電阻值；能對故障原因進行出錯報警；并能實時監(jiān)控頻率、箱體內(nèi)環(huán)境溫度等；具有數(shù)據(jù)報表功能；具有記憶功能，可以即時查看歷史故障等。液晶顯示器顯示故障信息，并且發(fā)出報警信號。故障消失后需復(fù)位。

（4）試驗功能

組合開關(guān)兼?zhèn)湓囼炐阅堋．敻綦x換相開關(guān)置于試驗位置時，并且要求負載側(cè)為斷電狀態(tài)時，進行各項功能試驗，包括各個回路中接觸器性能檢測，及過載、短路、漏電保護、閉鎖試驗和高壓絕緣監(jiān)視，方便了設(shè)備維修。

4 常見故障

常見故障包括：回路故障有短路、過載、缺相、漏電、欠壓、失壓等；元器件出現(xiàn)故障主要是接觸器和中間繼電器接收信號不良引起的故障；TTT運行中出現(xiàn)的返回故障、跳閘及不平衡故障等[15]。

4.1 I/O電源短路故障

問題現(xiàn)象：現(xiàn)場反應(yīng)兩隔離無論打在什么位置，都顯示斷，無法處理；所有回路都報漏電。

原因分析：I/O電源故障；調(diào)理模塊問題。

處理方法：下井檢查，首先看顯示模塊下的各電源指示燈是否正常，發(fā)現(xiàn)顯示板上I/O指示燈閃爍。根據(jù)此現(xiàn)象判斷是I/O電源可能短路，首先檢查配U/I板的連接線，是否有短路，經(jīng)查因U/I板未裝，其連接線放在DSP保護單元腔內(nèi)，而且裸露。導致檢修時不小心碰到，使+I/O與I/O與外殼碰或碰在一起，導致短路。查處后，做好絕緣措施，工作正常。

4.2 DSP系統(tǒng)多個模塊同時燒壞

問題現(xiàn)象：啟動C回路時燒壞DSP單元腔的所有模塊：3#處理、3#調(diào)理、I/O模塊、漏電調(diào)理模塊，及隔離上的控制接點，但都與I/O電源有關(guān)。

原因分析：因井下濕度大，而開關(guān)是直接搬家倒到新工作面，絕緣下降，通電之前未做絕緣檢查，就自行啟動回路，從而引起拉弧現(xiàn)象，燒壞控制線8號線（I/O），導致高壓串進控制線，燒壞模塊及隔離上的控制接點。

處理方法：首先用照明燈對開關(guān)進行烘烤48小時，提高開關(guān)內(nèi)元器件絕緣性，然后找出故障點，處理徹底，確保硬件檢查正常后，再一塊一塊插模塊進行檢測，并跟班致工作正常。

4.3 組合開關(guān)堵頭燒壞

問題現(xiàn)象：備用的E回路輸出電纜連接器燒壞。

原因分析：試驗動作正常后，沒有檢查輸出插頭的連接情況，就合隔離啟動，導致沒插好的堵頭與底座連接處產(chǎn)生弧光，導致短路，燒毀電纜連接器。

處理方法：把燒毀的底座導電桿用砂紙打磨后噴絕緣劑。之后檢查后腔、驅(qū)動單元、隔離都沒發(fā)現(xiàn)問題并將備用回路禁止，然后臨時使用。后期更換備件。

4.4 轉(zhuǎn)載機啟動立刻變高速

問題現(xiàn)象：轉(zhuǎn)載機啟動時低速不啟動，瞬間直接啟動高速。

原因分析：設(shè)置被更改，選擇高速運行完成后，又設(shè)置為時間轉(zhuǎn)換，保存后未復(fù)位。

處理方法：檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)置正確，該回路驅(qū)動單元也是完好的。重新設(shè)置程序，多復(fù)位幾次，問題解決。

4.5 開關(guān)顯示電壓過高

問題現(xiàn)象：開關(guān)顯示1800V電壓，電流顯示是平時的兩倍，報過載、短路等故障。

原因分析：供電系統(tǒng)是幾點呀偏高或TV電壓互感器問題；調(diào)理模塊問題；1#電源模塊問題。

處理方法：檢查供電電壓為1140V，測量TV輸出電壓為30多伏，判斷供電電壓與TV電壓互感器工作正常；更換調(diào)理模塊，仍顯示電壓過高，判斷電源模塊故障。檢查5V電源，只有4.84～4.85V，輸出低，換1號電源模塊，測得有4.97V輸出，后運轉(zhuǎn)顯示正常。

4.6 采煤機開機一小時報先導短路問題

問題現(xiàn)象：采煤機開機一小時左右停機開關(guān)報先導短路，把漏電轉(zhuǎn)接板上的放電管摘除煤機運行一小時還是報先導短路，摘除穩(wěn)壓二極管后煤機運行還是不正常，把電纜頭換到其他回路采煤機運行一小時左右開關(guān)報先導短路。

原因分析：電纜問題，懷疑有高壓竄入到先導線中；煤機問題。

處理方法：搖電纜，正常；采煤機廠家在煤機那邊二極管上并了個電容，用來吸收電動勢。煤機正常啟動，開關(guān)正常。

5 結(jié)語

我國煤礦綜采技術(shù)及裝備得到了廣泛應(yīng)用和取得了長足發(fā)展，高產(chǎn)高效綜采工作面已較為普遍。綜采工作面裝機容量超過5000kW，千萬噸級綜采工作面已成為許多超大型煤礦的發(fā)展目標。原來的常規(guī)供電方式，顯然無法滿足綜采工作面安全、高效生產(chǎn)的需要。供電方式必須向大功率、智能化、組合化、高可靠方向發(fā)展，有效減少搬家倒面和設(shè)備故障停機時間，大幅度提升礦井的自動化程度。

根據(jù)綜采設(shè)備供電與控制的總體需要，經(jīng)過深入調(diào)研，研發(fā)了礦用隔爆兼本質(zhì)安全型組合開關(guān)。組合開關(guān)采用全數(shù)字化處理技術(shù)，實現(xiàn)了控制、保護、人機互動、信號報警、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。在技術(shù)上實現(xiàn)了較高水平的跨越，不僅滿足了我國高產(chǎn)高效綜采工作面（包括千萬噸級綜采工作面）對供電與控制技術(shù)裝備的需要，而且解決了國產(chǎn)化的問題。

[1]郭大路.熱催化原理在煤礦井下甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導報，2010(29)：48-48.

[2]陳江，趙樂群.KJZ系列礦用組合開關(guān)的控制保護技術(shù)應(yīng)用研究[C].煤炭科學大會文集，2011.

[3]王艷，劉楊斌，歐陽名三.基于DSP的模糊PID控制逆變電源的研究[J].煤礦機械，2011，32(9)：67-69.

[4]張雪鋒，賈紀念，石玉旺.KJZ2-1500/1140Z型真空組合開關(guān)的推廣應(yīng)用[D].鄭州：中州煤炭，2008，04(04)：88-89.

[5]黃帆，萬光芬.新型控制策略在離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].石油工程建設(shè)，2011，37(4)：13-17.

[6]袁向科，裴計田，顏淑偉.KJZ-1500/1140Z組合開關(guān)在煤礦膠帶輸送機控制保護中的應(yīng)用[D].常州：工礦自動化，2007，05(05)：80-81.

[7]曲正云.新型礦用隔爆兼本安型電磁啟動器在連采面的應(yīng)用[J].陜西煤炭，2014，33(2)：76-77.

[8]郭永勝.采區(qū)電磁啟動器的控制與應(yīng)用[J].中國科技博覽，2014(25)：277-277.

[9]夏護國.煤礦綜采工作面組合開關(guān)的研究與應(yīng)用[D].北京：煤炭工程，2007，02(02)：27-29.

[10]朱敏靜.基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的礦用組合開關(guān)研究[D].安徽淮南：安徽理工大學，2010.

[11]晉鵬飛，吳利學.煤礦綜采工作面負荷中心的選型應(yīng)用[J].煤礦機電，2013(4)：120-121.

[12]李占平.負荷中心在安全高效綜采工作面中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2014(3)：44-46.

[13]王繼生.KJZ系列智能真空組合開關(guān)的國產(chǎn)化研究[D].太原：山西焦煤科技，2007，09(09)：18-20.

[14]劉建良.關(guān)于KJZ系列國產(chǎn)化組合開關(guān)的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古統(tǒng)計，2008(4)：64-65.

[15]桑宗其，楊澤進.組合智能開關(guān)在綜采工作面的應(yīng)用[J].山西煤炭，2014，34(11)：23-25.