变频条件下的采煤机电缆设计与分析

2012-10-26金鑫

中国科技信息 2012年12期

关键词：控制线阻燃性导体

金鑫

中煤科工集团上海研究院

变频条件下的采煤机电缆设计与分析

金鑫

中煤科工集团上海研究院

Frequency converter cable for Coal Mining Machine Design and Analysis Jin Xin

介绍适用于变频系统的采煤机电缆设计和变频条件下采煤机电缆安全性分析。

变频；采煤机电缆；安全性

Introductioonf frequenccy onvertecr able for coal mining machine design and safety analysis. Keywords

frequenccy onvertionc; able for coal mining;safety performa nce

1.概况

采煤机采用变频系统，改善了采煤机在调速和启动等诸多方面的性能，正在越来越多的被推广使用，但使用中与之连接的普通采煤机电缆完好状态下往往发生控制失灵的现象，采煤机电缆用于采煤机的动力电源连接和控制信号的传输，随采煤机在采煤工作面往返运动，工况复杂，对电缆的安全性和功能性要求也更高，现国家标准GB/ T12972-2008《矿用橡套软电缆》和行业标准MT818-2009《煤矿用电缆》在传统采煤机电缆的安全性、功能性方面考虑的比较完善，由于变频系统广泛使用，随之带来的影响还是愈来愈突出，而现有标准并没有相关阐述，如何解决变频环境给采煤机电缆带来的诸多问题，使采煤机电缆既满足使用要求，且安全性更高是本文主要目的。

2.原理及性能分析

由于采煤机沿采煤工作面往返运动，启动时一般与运输机连锁工作，采煤机电缆为采煤机提供动力电源传输的同时，兼顾采煤机的远程控制，一般含有动力线芯、地线芯、至少还含有三根以上的控制线芯，对于变频环境下采煤机电缆除满足功能性要求的基础上，还必须达到一些基本安全性能要求：

1）采煤工作面工况复杂，采煤机电缆作S型运动，应当具备良好的机械性能。

电缆运动过程中要受到严重的弯曲、拖拽、挤压、扭转以及煤块的冲击，对于电缆的使用寿命有很大的影响，电缆材料和结构要既要保证电缆的柔软性也要达到高强度。MT818-2009标准中要求采煤机电缆应当满足机械冲击、挤压和抗弯曲试验的要求。

2）阻燃性能满足煤矿井下安全要求。

阻燃性是煤矿井下电缆基本要求，煤矿安全规程、GB/T12706-2008和行业标准MT818-2009都对采煤机电缆的阻燃性作了明确规定，必须满足MT386-2011标准规定的单根垂直燃烧试验、负载条件下燃烧试验、成束燃烧试验的要求，无论是否用于变频条件下，采煤机电缆的阻燃安全性都是放在首位的。

3）满足变频环境下的安全和使用要求。

变频调速系统的整流和逆变电子组件产生的高次谐波通过电磁辐射、传导和感应耦合对电缆及周边元器件产生干扰和破坏作用，对于采煤机电缆最突出的表现在高次谐波叠加造成电缆地线芯产生高次谐波电压和谐波电流，导致电缆护套带电（屏蔽型电缆地线芯外无绝缘层直接通过屏蔽层或半导电层与护套层接触），井下检漏继电器判断电缆漏电而进行漏电保护，断电停机。2对控制线芯产生干扰信号，造成控制信号出错，无法开机或误动作。所以采煤机电缆应当具备抑制谐波和抗干扰能力。

3.设计方案

基于上述要求，对于采煤机变频电缆采取以下设计方案，电缆结构如图1。

图1

3.1 导体

动力线芯导体、地线芯导体、控制线芯导体应根据其功能和特点采用不同设计：

动力线芯导体采用软铜线，其性能应符合GB/T 3956-2008 第5种导体的要求；

地线芯导体依据屏蔽形式的不同可采用三根动力线芯金属屏蔽层兼地线或三根地线束绞绕包于控制线芯绝缘外兼控制线芯屏蔽层。设计原则是3根地线芯成120°绕圆心排列绞合成缆，相位依次相差120°。变频系统产生的谐波因为在地线芯中相位平衡，不会形成幅值叠加，同时地线芯作为屏蔽层起到均匀电场，抑制电磁辐射的作用。

控制线芯为提高寿命，防止断芯，采用高强度和高弯曲性能的航空用细钢丝作为抗拉构件，围绕细钢丝采用铜线分层编织，绞和节径比应低于6，这样控制线芯导体柔软性和延展型都比传统采煤机采煤机电缆的控制线芯导体提高很多，同时外力基本作用于细钢丝上，导体本身受力很小，寿命自然会大幅度提高。

3.2 绝缘

控制线芯绝缘和动力线芯绝缘采用三元乙丙橡胶，机械物理性能符合XJ-30A绝缘要求，抗张强度达到6.5N/mm2以上，相比传统天然丁苯橡胶为基料的绝缘，强度得到极大提高，同时避免了天然-丁苯橡胶在硫化过程中易氧化导体的缺陷。绝缘体积电阻率可达到2400ΩMkm以上。

3.3 屏蔽

采煤机变频电缆的屏蔽层作用包括：1）均匀电磁场，降低局部放电；2）起到接地保护作用，在绝缘破损情况下，与地线导通释放泄漏电流。3）屏蔽电磁场对控制线芯及附近通信设备的干扰。对于固定敷设的电力电缆采用铜带屏蔽和铠装结构较容易实现上述功能，但采煤机电缆因为需要反复弯曲，必然需要软屏蔽结构，同时不降低屏蔽效果和抗弯曲性能，所以屏蔽层结构对于变频采煤机电缆功能优劣至关重要。为满足上述多个功能，应采用总屏蔽和分屏蔽双层结构，分屏蔽即兼作地线的绝缘（动力线芯绝缘或控制线芯绝缘）屏蔽，总屏蔽采用铜丝编织或束绕于内外护套之间，编织屏蔽会适当降低柔软性，但提高电缆强度，适用于无保护夹板的拖曳环境，束绕屏蔽仍然保持电缆的柔软性，适用于弯曲半径较小的工作场合。

3.4 护套

采煤机变频电缆要求具备一定的机械物理性能和阻燃性能，采用氯丁胶为基料的阻燃护套,保证机械物理性能符合XH-30A护套的要求，同时阻燃性能也能满足MT386-2011《煤矿用电缆阻燃性的试验方法和判定规则》中单根垂直燃烧试验、负载条件下燃烧燃烧试验、成束燃烧试验要求。