數(shù)字式快速保護(hù)裝置在礦山電力機(jī)車上的應(yīng)用研究

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦冶分公司露天礦，陜西 渭南 714102)

1 概述

直流配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與交流配電網(wǎng)相比較，直流配電網(wǎng)供電容量大、可控性強(qiáng)、供電可靠性高、線路成本低、損耗小，非常適于各類分布式負(fù)載接入。直流配電網(wǎng)廣泛應(yīng)用于地鐵、輕軌、礦山等軌道交通領(lǐng)域。

直流斷路器作為直流系統(tǒng)中重要的控制和保護(hù)設(shè)備，是直流電網(wǎng)可靠、安全供電的重要保證。直流斷路器必須能夠限制并切斷故障電流，維持直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

采用直流機(jī)械斷路器，基本可以滿足直流供電系統(tǒng)的需要，但在露天礦電機(jī)車車間直流網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行過程中，仍存在許多缺限。其典型的事例：由于直流機(jī)械斷路器本身的缺限，工礦直流電網(wǎng)當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)易發(fā)生供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘現(xiàn)象，工礦電網(wǎng)越級(jí)跳閘造成工礦大面積停電，嚴(yán)重影響到工礦采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備的正常運(yùn)行，不僅嚴(yán)重影響工礦生產(chǎn)，而且很容易誘發(fā)安全事故。露天礦電機(jī)車車間直流網(wǎng)絡(luò)越級(jí)跳閘事故的頻繁發(fā)生，影響工礦生產(chǎn)效率，增加露天生產(chǎn)及供礦成本。因此，解決工礦直流供電系統(tǒng)短路引起的越級(jí)跳閘問題，對(duì)工礦安全生產(chǎn)和提高工礦生產(chǎn)效率非常必要。

針對(duì)露天礦電機(jī)車車間直流網(wǎng)絡(luò)越級(jí)跳閘現(xiàn)象，對(duì)直流快速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行技術(shù)改造，在改型開關(guān)上增加新近研發(fā)的快速數(shù)字式過載過流保護(hù)裝置，構(gòu)成新型電子脫扣系統(tǒng)，避免電力機(jī)車供電網(wǎng)絡(luò)越級(jí)跳閘的現(xiàn)象發(fā)生。使用新型直流快速開關(guān)可極大提高工礦電力機(jī)車運(yùn)行效率。

2 露天礦直流電網(wǎng)越級(jí)跳閘原因分析

直流斷路器是直流供電系統(tǒng)中不可或缺的控制和保護(hù)設(shè)備。直流斷路器有三種類型，即機(jī)械式直流斷路器、直流固態(tài)斷路器、混合型直流斷路器。目前最廣泛應(yīng)用的是機(jī)械式直流斷路器。機(jī)械式直流斷路器主要包括脫扣電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)四大部分。脫扣電磁系統(tǒng)的功能是當(dāng)負(fù)載過流或過載故障發(fā)生時(shí)完成檢測與脫扣，保證斷路器可靠分閘；觸頭系統(tǒng)的功能是長時(shí)間承載額定電流、短時(shí)承受過載和故障電流；操作機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘動(dòng)作，保證觸頭系統(tǒng)的分合閘速度要求；滅弧系統(tǒng)的功能是拉伸、切割、冷卻電弧，建立電弧電壓，限制短路電流上升，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)嗳蝿?wù)。

露天礦直流網(wǎng)絡(luò)越級(jí)跳閘事故的頻繁發(fā)生，其原因比較復(fù)雜。有技術(shù)管理方面的原因，更多的是直流斷路器本身的原因。

2.1 速斷動(dòng)作電流值整定困難

機(jī)械式直流斷路器的保護(hù)特性為反時(shí)限特性，當(dāng)短路電流達(dá)到一定值時(shí)進(jìn)入速斷動(dòng)作區(qū)實(shí)現(xiàn)快速跳閘。傳統(tǒng)斷路器的速斷動(dòng)作電流值整定方法不科學(xué)、不合理。在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，現(xiàn)場技術(shù)人員通常是依據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)，并參照負(fù)荷最大時(shí)最大工作電流來整定線路電流保護(hù)速定值。這種整定簡單方便，但動(dòng)作電流值估算很困難，動(dòng)作計(jì)算值存在較大誤差，整定值沒有辦法做到很準(zhǔn)確。或者由于運(yùn)行方式改變后，沒有重新計(jì)算動(dòng)作電流定值 。當(dāng)直流供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于上下級(jí)機(jī)械式直流斷路器常常能夠同時(shí)越過反時(shí)限動(dòng)作區(qū)、達(dá)到各自的速斷動(dòng)作值，其沿線斷路器都會(huì)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作，易發(fā)生越級(jí)跳閘現(xiàn)象，擴(kuò)大了停電范圍，從而影響了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 斷路器固有延時(shí)特性

機(jī)械式直流斷路器的功能動(dòng)作主要包括繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作、繼電器信號(hào)輸出、跳閘電磁鐵的動(dòng)作、跳閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作、真空斷路器動(dòng)作等，每一動(dòng)作運(yùn)作都需要固有時(shí)間。同時(shí)，較為繁復(fù)的運(yùn)行動(dòng)作使機(jī)械式直流斷路器在露天太惡劣環(huán)境中作業(yè)時(shí)，動(dòng)作機(jī)構(gòu)發(fā)生疲勞，使用性能將逐漸降低，如較大濕度引發(fā)開關(guān)機(jī)構(gòu)卡澀、難以靈活作業(yè)，增加開關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間，當(dāng)出現(xiàn)線路故障后，開關(guān)會(huì)發(fā)生誤動(dòng)、保護(hù)動(dòng)作遲緩或拒動(dòng)，致使供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘問題發(fā)生。

2.3 其他設(shè)備原因

其他設(shè)備原因包括機(jī)械工藝原因造成動(dòng)作遲緩；因供電設(shè)計(jì)原因，造成保護(hù)死區(qū)或保護(hù)上下級(jí)；由于操作電源原因，造成開關(guān)拒動(dòng)或者保護(hù)動(dòng)作后不能跳閘；由于設(shè)備的質(zhì)量較差，因質(zhì)量原因?qū)е禄芈匪贁啾Ｗo(hù)拒動(dòng)，越級(jí)造成上級(jí)區(qū)域保護(hù)動(dòng)作。

3 工礦電力機(jī)車供電保護(hù)技術(shù)改造方案

150 t大噸位電力機(jī)車運(yùn)輸牽150 t大噸位電力機(jī)車運(yùn)輸牽引，由于這種機(jī)車電氣保護(hù)系統(tǒng)不完善，快速開關(guān)過流過載脫扣是通過機(jī)構(gòu)執(zhí)行，是經(jīng)過電流線圈電磁鐵整定電流值通過機(jī)構(gòu)扛桿來推動(dòng)分閘機(jī)構(gòu)脫扣斷電，但是這種電流脫扣跳閘方式是依靠機(jī)構(gòu)傳動(dòng)外力，所以跳閘斷電時(shí)間過長，加上執(zhí)行機(jī)構(gòu)過江過程動(dòng)作延長，導(dǎo)致本機(jī)車快速開關(guān)有時(shí)不能速斷跳閘漏電，當(dāng)本機(jī)車故障時(shí)直接越級(jí)到上級(jí)供電系統(tǒng)跳閘停電，造成供電系統(tǒng)大面積斷電影響了前端設(shè)備生產(chǎn)正常運(yùn)行。

針對(duì)露天礦電機(jī)車車間直流網(wǎng)絡(luò)越級(jí)跳閘事故的頻繁發(fā)生，經(jīng)過廣泛調(diào)研，采用對(duì)電力機(jī)車直流快速開關(guān)進(jìn)行改造，增加快速數(shù)字式過載過流保護(hù)裝置，形成新型快速電子脫扣系統(tǒng)，該型開關(guān)及配套的二次電子脫扣裝置能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠脫扣，避免了脫扣裝置拒動(dòng)作的現(xiàn)象發(fā)生，避免電力機(jī)車供電網(wǎng)絡(luò)越級(jí)跳閘的現(xiàn)象發(fā)生，提高了電機(jī)車運(yùn)行效率同時(shí)保護(hù)供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。

數(shù)字式直流過載過流快速保護(hù)裝置是湖南科通電氣設(shè)備制造有限公司新近研發(fā)的工礦電力機(jī)車保護(hù)裝置，主要針對(duì)露天礦電力機(jī)車直流網(wǎng)絡(luò)頻繁發(fā)生越級(jí)跳閘事故的現(xiàn)狀專門研究開發(fā)的專用保護(hù)裝置。

數(shù)字式直流過載過流快速保護(hù)裝置功能完善，其基本功能：①具有過電流、過載保護(hù)功能，可以設(shè)定過電流、過載電流整定值和過載時(shí)間。過電流、過載電流設(shè)定值顯示于小數(shù)碼管。②過電流、過載采用分別獨(dú)立控制方式。過電流過載保護(hù)輸出類型為繼電器式。③復(fù)位方式有自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。④自動(dòng)采集并顯示被測的實(shí)際電流值，并自動(dòng)捕捉電流的最大值和最小值。實(shí)際電流值顯示于大數(shù)碼管。⑤裝置面板設(shè)有過電流、過載指示燈，保護(hù)裝置安裝了報(bào)警蜂鳴器。當(dāng)出現(xiàn)過電流、過載現(xiàn)象時(shí)，指示燈亮并通過蜂鳴器報(bào)警。

數(shù)字式直流過載過流快速保護(hù)裝置的基本電路包括單片機(jī)處理單元、電流采樣單元、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)輸出單元、過載電流和過電流整定值設(shè)定單元、過載時(shí)間設(shè)定單元、電流值顯示單元、過電流過載指示與報(bào)警單元。數(shù)字式直流過載過流快速保護(hù)裝置的基本原理是：電流采樣單元實(shí)時(shí)檢測供電電流大小，單片機(jī)處理單元保存分析檢測到的電流值，通過與動(dòng)作電流整定值和過載時(shí)間整定值比較判斷，如達(dá)到跳閘條件，立刻輸出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跳閘斷電功能。

針對(duì)露天礦實(shí)際情況研發(fā)的新型直流快速開關(guān)二次脫扣裝置技術(shù)參數(shù)如下：電流測量范圍為10-9999A(可設(shè)置保護(hù)動(dòng)作電流整定值)，繼電器最小相應(yīng)時(shí)間約35 ms，輸出繼電器容量為7A/250VAC或7A/30VCD(阻性負(fù)載)，防護(hù)等級(jí)為IP30。安裝方式采用開孔安裝。

針對(duì)我礦電力機(jī)車現(xiàn)用的快速開關(guān)和新型快速開關(guān)安裝尺寸不一致的問題，與湖南科通電氣設(shè)備制造有限公司雙方經(jīng)過探討重新設(shè)計(jì)了快速開關(guān)安裝裝置，達(dá)到了我礦電力機(jī)車安裝要求。

對(duì)開關(guān)原配置的消弧裝置進(jìn)行了改造，更換滅弧裝置的材料，增強(qiáng)滅弧裝置的可靠性。針對(duì)原開關(guān)消弧罩安裝方式不便于檢修的問題，結(jié)合我礦電力機(jī)車實(shí)際情況，經(jīng)過研究分析，確定改進(jìn)方案，對(duì)快速開關(guān)滅弧裝置進(jìn)行改造，達(dá)到便于拆裝、檢修及維護(hù)的目的。

針對(duì)脫扣裝置時(shí)限整定值過長導(dǎo)致不便于整定的問題，我們與湖南科通電氣設(shè)備制造有限公司雙方就此問題進(jìn)行了給定值重新設(shè)定及現(xiàn)場調(diào)試，保證了二次脫扣系統(tǒng)整定值在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)，解決了快速開關(guān)在電流達(dá)到整定電流值時(shí)反應(yīng)慢的問題。

4 結(jié)語

新型快速直流開關(guān)的應(yīng)用極大地降低了電力機(jī)車越級(jí)跳閘事故，經(jīng)試驗(yàn)表明，越級(jí)跳閘事故率由未安裝前的90%降低為5%，極大地降低了成本，提高了檢修效率、運(yùn)礦作業(yè)效率，應(yīng)用新型直流快速開關(guān)能夠極大降低露天礦運(yùn)礦成本，提高運(yùn)礦作業(yè)效率及檢修效率。

使用新型直流快速開關(guān)預(yù)計(jì)可使我礦電力機(jī)車運(yùn)行效率得到極大提高，人員檢修效率提高80%，設(shè)備故障率降低90%。對(duì)露天礦電機(jī)車車間電力機(jī)車及配電站安裝新型直流快速開關(guān)，可以提高作業(yè)人員的安全可靠性，改善設(shè)備作業(yè)效率，降低作業(yè)人員檢修強(qiáng)度。露天礦現(xiàn)有8臺(tái)電力機(jī)車，通過安裝新型直流快速開關(guān)進(jìn)行綜合保護(hù)技術(shù)改造后，可以明顯提高露天礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。