智能化组合开关在麻家梁煤业供电系统中的应用

张凯辉，胡亚芳，马鹏飞

（1.同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036000；2.大同煤炭职业技术学院，山西 大同 037003）

目前综采工作面电气设备已朝着高电压、大功率、大运量、集成化、智能化方向发展[1-2]。工作面进线电压已达10 kV，工作面设备如采煤机、破碎机、转载机、前部刮板输送机和后部刮板输送机等，供电电压也达3 300 V。为保证工作人员安全，需要进行统一协调控制。工作面设备分布分散，并刮板输送机机头和机尾设置的2部电动机需要顺序工作。如采用移动变压器单独供电，因移动变压器本身向外输出回路数量少，势必会增加移动变压器使用数量和连接电缆的数量，造成资源的浪费，加之不同厂家生产的移动变压器启动方式不同，造成控制方式混乱，不利于设备管理。磁力启动器操作复杂，可靠性低的缺点，已被逐步淘汰。组合开关因输出回路数量多，电气保护全面、灵敏，控制方式灵活、多样和控制线路简单等优点被应用到煤矿生产过程中[3]。

1 组合开关供电系统组成

同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司14208综放工作面采用2台KJZ-2400/3300-9型九组合开关向工作面设备供电。其中1台向后部刮板输送机机头、后部刮板输送机机尾、转载机、破碎机以及4台乳化液泵供电。另外1台向采煤机、前部刮板输送机机头、前部刮板输送机机尾以及3台喷雾泵供电。组合开关供电电路示意图如图1。

图1 组合开关供电电路示意图Fig.1 Schematic diagram of combined switch power supplying circuit

图1中，组合开关的形式为3路输入和9路输出，每路输出接触器的额定电流为630 A。每3路输出带有1路隔离开关，每路隔离开关额定输入电流为800 A，分断能力为20 kA，其中1台隔离开关断开只切断其所带的3回路，不影响其他回路工作。每台组合开关均由2台KBSGZY-2500/10.0-3.3 kV、KBSGZY-3150/10.0-3.3 kV型移动变压器型移动变压器供电。其中前部刮板输送机、后部刮板输送机机头和机尾的每台驱动电机功率为1 050 kW，采煤机装机功率为1 915 kW，破碎机电机功率为400 kW，转载机驱动电机采用高低速双速电机，功率为600 kW，乳化液泵单台电机功率为250 kW，喷雾泵单台电机功率为132 kW。

2 组合开关结构构成

组合开关采用CAN总线结构[4]，CPU主控模块通过内部总线与各下位机连接。CPU主控模块可实时对接触器模块、隔离开关模块、键盘模块以及外接设备进行数据采集和控制指令的发出。组合开关组成结构示意图如图2。

图2 组合开关组成结构示意图Fig.2 Structure diagram of combined switch

图2中，键盘模块、I/O模块、和备用接口采用本质安全电路连接。开关带1路照明输出，向外部提供AC 127 V和AC 220 V交流输出，额定容量为5 kVA。此照明输出带有变压器过流保护、漏电闭锁、漏电保护以及漏电闭锁和漏电保护试验功能。照明输出动作电流不大于15 A，动作时间不大于0.2 s，发生漏电保护故障后，照明综合保护器将漏电闭锁不能合闸，只有电网绝缘电阻值大于1.5倍动作值后，才可解除漏电闭锁。外接设备模块可与工业以太网连接，以实现智能化远程控制[5]以及设备内部程序更新与上传。通过CAN总线接口可将开关内部电流数据传至外部设备，实现不同设备间电流数据监测。

3 组合开关系统

3.1 组合开关系统保护系统

为了保证组合开关安全、稳定、高效运行，每路接触器均设计了完备的电气保护功能[6]。

漏电闭锁、漏电保护和高压绝缘检测3部分构成了漏电保护装置，三者相互配合完成漏电保护功能。漏电闭锁在单组接触器启动前不间断监测负荷侧绝缘状态，若绝缘正常则允许启动，反之，漏电闭锁不能启动，只有绝缘恢复到正常值以后才可启动。漏电保护在接触器启动后实时监测负荷侧绝缘状态，若出现绝缘故障，则接触器跳闸。高压绝缘检测采用3 000 V直流高压加载到负荷侧主电缆和电动机绕组上，采用微机检验采样方法得到“电流-电压”曲线，通过运算后，能有效显示绝缘内部的集中性缺陷或受潮程度，更好反应系统绝缘状态。

不平衡保护、反时限电流保护、短路保护和堵转保护构成了组合开关的电流保护，不平衡保护可监测负荷侧发生的相间短路和断相故障，以防止该故障引起的过电流烧毁电机和供电线路，采用可调短延时的方法进行跳闸保护。

为防止供电线路因长期处于过负荷运行状态产生过电流而引起的电机绝缘水平降低，从而导致电机使用寿命缩短，绝缘老化，甚至烧毁电机的后果。依据电机发热和散热数学模型[7]，通过数字信号处理器（DSP）采集电机绕组工作电流，模拟电机温升变化，从而判断电机的过载状态。

为了防止负荷侧发生短路故障产生大电流而造成电缆或电机烧毁的事故，采用实时鉴幅式监测[8]和速断保护的方法动作于短路跳闸。由于工作面电机启动过程中，具有较大的启动电流，因此对短路保护整定采用两段取值法，即启动过程中取值和启动后取值，以躲过启动电流峰值，防止短路保护误动作。

堵转保护可实时监测负荷侧发生的电机转子卡死或因电机负荷过大造成的低速运转，采用实时鉴幅式检测加定延时保护的方法，防止因该故障引起的过电流而烧毁电机和线路。电流保护控制流程图如图3。

图3 电流保护控制流程图Fig.3 Flow chart of current protection control

图3中，当电机启动时，组合开关通过三相电流互感器获取三相电流。若三相电流任意1相为0时，经过5 s后，若仍有1相电流为0，则开关报不平衡故障并跳闸。在启动时限（10 s）内，若启动电流值I大于9倍额定电流IN，并且功率因数cosφ大于0.9时，或者超过启动时限后，电流值仍大于9倍额定电流，则触发短路保护并跳闸，。

电机正常运转后，若电流值大于5倍且小于8倍额定电流时，则短路保护启动，开关跳闸。如果电流值位于4倍到7倍额定电流时，经5 s后电流值仍不变，则堵转保护启动，开关跳闸。

过载保护采用反时限过流保护，若电流值位于2倍到4倍额定电流值时，则延时50 s跳闸，电流值位于1.5倍到2倍额定电流值时，则延时5 min跳闸，电流值位于1.2倍到1.5倍额定电流值时，则延时20 min跳闸。若电机温度T超过130℃时，则开关报电机超温并跳闸。电压保护有过压保护和欠压保护采用电压互感器进行电压检测，当供电电压高于最高电压设定值或低于最低电压设定值时过压保护或欠压保护投入运行并跳闸。

3.2 组合开关控制方式

组合开关具有灵活的控制方式，可根据不同需要进行控制方式的设置，采煤机采用先导控制[9]，集中控制台对工作面刮板输送机、转载机和破碎机实现集中远程控制，乳化液泵和喷雾泵采用开关本地键盘控制。

由于采煤机运行及检修过程中需要频繁启动和停机，而组合开关布置在工作面进风巷中，二者相距较远，因而采用预留在供电电缆中控制芯线与组合开关先导控制回路相连，以实现先导控制，先导控制方式示意图如图4。

图4 先导控制方式示意图Fig.4 Schematic diagram of pilot control mode

图4中，开关和大地构成回路，采用1根控制线即可实对现采煤机的启停控制，将30Ω电阻和启动二极管放置在采煤机中，可以避免电缆和组合开关因控制线路短路而造成的误启动。开关内部采用光电耦合电路，避免了高压线路和本安线路的直接接触，提高了开关的安全性。相比于传统的继电器启动方式，先导启动方式弥补了低电压情况下不易启动和容易自行启动的不足。

集中远程控制方式是将先导控制方式用大地做回路的1路用控制线代替，直接采用本安线路就可以连接，因此控制线路安全性更高。当采用开关本地键盘控制方式时，本回路先导控制和集中远程控制不起作用。

3.3 组合开关运行方式

工作面设备的运行方式除了单电机启动方式外，还有单速多电机运行方式和双速单电机运行方式，这就需要组合开关根据运行方式进行设计。

单速多电机运行时，首先需设置参与运行模块的数量，确定模块数量后，则需添加控制相应电机的回路，最后设定多电机间启动延时。以工作面刮板输送机为例，机尾电机要先于机头电机0.5 s启动，与2部电机同时启动相比，这样可减小设备启动电流，并且降低因刮板输送机底部存链而造成链条阻卡的可能性[10]。

双速单电机运行方式下，需设置参与控制的回路，联锁运行方式，其包括时间方式、电流方式、锁定高速和锁定低速4种。时间方式是指在低速运行固定的时间后停止低速，启动高速运行。电流方式是指在低速启动后开始采集电流，电流在设定的时间内一直满足要求则停止低速，启动高速运行。锁定高速和锁定低速是指电机直接以高速或者低速启动。

4 结 语

KJZ-2400/3300-9型九组合开关具有集成度高、操作简单、故障率低、维护方便等优点。投入使用后，与以往工作面相比，减少了移动变压器的使用，缩短了进风巷设备列车的长度，简化了工作面设备供电线路和操作步骤，提高了设备集中控制率，因而提高了煤炭产量。预留的外部接口，可与地面调度控制中心直接互通，为下一步矿井智能化建设打下了坚实的基础。