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矿用防爆开关技术现状及发展趋势.


我国矿用防爆开关技术现状及发展趋势
0 引言

我省煤矿近十年来在以打造 “数字化矿井”为核心的科技创新和技术改造实 施过程中, 整体技术水平取得了长足的进步和发展,煤矿井下使用的各种防爆开 关也同样在技术水平和性能方面有了显著的提高, 例如使用量较大的配电开关类 产品如矿用防爆型高压真空配电装置、 矿用防爆型低压真空馈电开关和控制开关 类产品如矿用

防爆型高低压真空电磁起动器都向“真空化、小型化、智能化、可 通信”等方面快速发展,基本达到了国家宏观政策如《国家重点支持的高新技术 领域》 、 《煤炭工业“十一五”发展规划》 、 《我国防爆电器行业“十一五”发展指 导意见》所规划目标,目前在我省煤矿井下已经形成比较完整的体系,就技术性 能、品种、规格来看,基本能够满足目前煤矿井下供配电系统和各种机械、电气 设备的控制和保护功能需求,预计 “十二五”期间在国家宏观政策支持和防爆 电器制造企业技术创新推动下, 矿用防爆开关的技术水平和性能有望更进一步提 升,除满足常规配电、控制和保护需求外,新的主要发展领域之一是为适用于煤 矿物联网而对防爆开关设备进行科技创新和新产品开发。 本文以我省目前煤矿井 下常用的高低压配电开关和控制开关为例对产品技术现状和发展趋势做了分析 介绍。

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矿用防爆开关技术现状

我省煤矿井下使用的防爆开关按照技术水平大致可分为三代。 第一代高低压 配电开关类产品中高压配电装置的主元件为少油断路器, 额定电流较低,大都在 315A以下,采用老式弹簧操作机构,可靠性较低,故障率高,少油断路器本身的 维护工作量大、复杂程度高,在煤矿井下特殊环境更为不便。低压馈电开关的主 元件为空气断路器,电压等级较低,大都在660V及以下,采用手动进行合分闸操 作,过电流保护装置为电磁式。无论是高压还是低压断路器,都存在绝缘水平、 短路分断能力、 动热稳定性、 机械寿命、 电寿命等主要技术性能指标较低的问题, 不利于实现对煤矿井下电气设备和线路的可靠保护及控制。 此外由于过电流保护 装置整定范围小、 动作整定值精度低, 整定值随着开关使用时间的推移会发生 “漂 移”,造成过电流保护误动或拒动故障较多,尤其在低压馈电开关中更为突出。 控制开关类产品中高压起动器用量较少,与同时代高压配电装置的特征基本相 同。 低压起动器均采用空气式接触器作为主元件, 多采用分立安装在平面底板上 的结构形式,占用空间较大。电磁式过电流保护,总体技术性能方面存在的缺陷 与配电开关基本相同。从外壳结构上看,上述各类产品都以圆筒形为主,采用旋 转开盖方式。除低压可逆起动器外,所有产品均为单回路,多数低压产品自身并 不具备漏电、欠压或失压保护功能。较低的额定电流等级限制了产品控制容量, 整体技术性能基本建立在仿造前苏联及东欧国家产品的基础上,相当于国外20 世纪60年代水平,除少数小煤矿外,第一代产品目前已经基本停止使用。 第二代产品中多数主元件的基本结构形式无显著变化, 首先从高压配电装置 开始少量采用真空断路器作为主元件, 进而各类高低压防爆开关都逐渐开始采用 真空断路器、真空接触器作为主元件,由于真空元器件在无电弧外露 电压等级 高等方面的优势,出于对煤矿井下电气设备安全运行和提高额定工作电压的需

求,真空断路器、真空接触器作为防爆开关主元件的优势日益凸显,选用真空元 器件替代少油或空气式元器件成为产品发展趋势, 但由于当时真空元器件规格品 种不全,在煤矿井下适用范围很小,特别是低压真空元器件更是如此,导致煤矿 井下防爆开关真空化进展缓慢。 第二代产品无论是真空还是空气的元器件,额定 电压、额定电流、短路分断能力和短时耐受电流等指标都有所提高,虽然低压馈 电开关也开始出现配备电动操作机构,但依然不具备短时耐受电流性能,运行中 时有承载大电流发生熔焊的现象发生。与第一代产品以电磁式保护的情况相比, 采用分立元件或小规模集成电路的电子式保护装置设计制造技术日益成熟, 并出 现了专业化生产厂,电子式保护使防爆开关的保护功能增加、产品自身开始具备 漏电保护或闭锁功能、电流整定精度提高、具备简单的普通发光二极管显示,但 因设计水平局限, 几乎不具备抗干扰能力,在电磁环境较恶劣的使用场所精度下 降、 误动较多。制造厂机械加工水平的提高使方形外壳的防爆开关产品开始出现 并且市场占有量呈逐年增加态势,方形外壳便于电子保护装置的布局安装,这一 代方形外壳产品的门盖以螺栓紧固方式为主,打开、关闭门盖操作过程繁杂,螺 栓紧固件拆下后容易丢失。主要技术性能指标总体相当于国外20世纪70年代末、 80年代初水平。约占目前使用量60%左右。 第三代产品的显著特征之一就是所有产品主元件的基本结构形式由真空断 路器和真空接触器全面替代少油断路器、空气断路器和空气接触器,这完全得益 于我国近二十年来各类真空开关技术的全面快速发展和品种规格逐步的齐全完 善。高压真空配电装置的弹簧操作机构在原有基础上经过改进后可靠性大幅提 高。此外还出现了仅为弹簧操作机构20%的零件数量构成的永磁式操作机构,使 可靠性更高、 维护工作量更小。 低压馈电开关具备电动操作机构的产品也大幅度 增加,市场占有率超过50%,缺点是多为电磁铁式,虽然结构简单,但不具备电 动力补偿, 导致合闸时没有足够的触头压力,所以短路分断能力和短时耐受电流 指标低, 从制造商提供的产品说明书所列上述指标数据来看,绝大多数产品未列 出真正符合标准要求的短时耐受电流指标, 这样会使作为低压配电总开关的馈电 开关无法实现选择性短路保护。 虽然低压馈电开关与起动器也有了可抽出式的安 装结构,但存在动静隔离触头压力小的缺陷,出现短路时可能斥开甚至烧损。多 回路起动器电压提升至3300V、回路数增至12,增加了双速控制和照明综保,以 单片机或PLC为核心的智能保护器功能全面并具有大屏幕液晶汉字显示,大多数 产品声称具有通信接口, 但在检测时发现很多都不具备通信功能,而且当电源电 压波动时易产生误动。 抗电磁干扰能力也无明显提高。 第三代馈电开关和起动器 新产品的外壳均为方形, 圆筒形老产品选用逐渐减少。 以提升式快开门结构居多, 防爆型式由隔爆型逐渐向隔爆兼本质安全型发展。主要技术性能相当于国外20 世纪90年代末水平,约占目前使用量40%左右。如果考虑产品性能一致性、可靠 性及产品外观质量, 与国外产品差距仍较为显著,差距的主要影响因素是技术方 面的。与国外著名公司的研发投入相比,国内企业仅为外国公司的3~5%,也是 导致技术落后的重要原因。而国内各生产企业的产品在技术性能、可靠性及外观 质量也存在一定差别,但影响因素包括技术和成本两方面。

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矿用防爆开关技术发展趋势

虽然国内防爆开关行业整体设计制造水平在不断提高, 但是要真正实现矿用 防爆开关 “真空化、智能化、高可靠”目标还必须从产品结构改进、主元件技 术指标提高、 保护装置功能完善、提高工艺技术水平等方面入手全面提升产品技

术性能, 使产品的内在技术含量切实能够满足技术性能要求。为了提高产品的综 合功能,集馈电、起动器、照明综保和区域性监控功能为一体的矿用组合电器也 是部分企业研发的重点之一。 从制造企业目前的研发动态和正在试验取证的新产 品特点以及省内个别大型煤矿使用的少量国外著名制造商高端产品都可以反映 出矿用防爆开关产品未来若干年技术发展趋势。 首先, 无论是高低压还是配电类或控制类的矿用防爆开关都在通过采用新材 料和新工艺、 改进结构等技术方案使产品具有更高的绝缘水平来提高安全性,以 便更好的适应煤矿井下较为恶劣的使用环境, 尤其是煤矿井下供电系统中作为控 制中枢的高压防爆配电装置,根据GB/T11022—2011《高压开关设备和控制设备 标准的共用技术要求》的新规定,目前按照JB 8739—1998 《矿用隔爆型高压配 电装置》行业标准执行的绝缘水平Ⅰ显然不能满足要求,必须按照行业标准规定 的绝缘水平Ⅱ考核产品才能符合新国标,例如10kV产品的工频耐压试验电压值 按照老标准可以从30kV、42kV中任选,而矿用产品安全标志证书取证、续证即 将执行的新规定必须在42kV下进行试验,取消了30kV等级,这就促使生产企业 要采用多种技术措施来提高产品的绝缘水平来满足新标准要求, 目前提高产品绝 缘水平最先进的技术当属高压断路器全固封绝缘并附加硅橡胶增强的技术, 与通 常的固封极柱技术相比在同等绝缘水平时可以使整机结构紧凑、体积更小,更适 合安装在隔爆外壳中在煤矿井下使用。预计2014年将有企业取得“三证”开始供 货。 还有企业在进行此项技术运用于低压防爆开关的研究。可见提高绝缘水平一 直是产品技术发展必不可少的内容。此外用于高压配电装置的高通流能量、低残 压、自灭弧的过电压保护器(最大可至150 kA)也已经开始试用。 出于在煤矿井下安全运行的考虑, 大规模推行隔爆兼本质安全型防爆开关产 品取代隔爆型产品也是必然的趋势,即由单一的隔爆型改为同时采用2种国家强 制性标准规定的防爆型式, 共同对产品进行防爆保护。采用符合本质安全型的电 流电压值作为防爆 开关 远控输出信号。在防爆开关远控输出电缆受到意外损害 时线路断点处由于放电而所产生的火花能量远低于点燃煤矿井下瓦斯气体所需 的最低点燃能量,不会产生能够点燃煤矿井下瓦斯气体的火花,使防爆开关采用 远控操作时具有更高的安全性。 为了使产品的维修简便快捷、缩短煤矿井下停电时间,高压配电装置内装手 车式真空断路器在“隔离”和“连接”2个位置的转换已由手动操作向电动操作 发展,到位自动停止,门盖的液晶显示屏同步指示真空断路器位置。电动操作方 式不仅定位准确而且在断路器手车到位后自动快速停止, 减少了手车机构的机械 受力和磨损, 从而提高了手车的可靠性和使用寿命。低压馈电开关内装真空断路 器则由螺栓固定安装改为可抽出式,但隔离插头的动热稳定性尚需改进提高。高 低压起动器也在向可抽出式模块化结构发展, 可使多回路起动器中每个回路的真 空接触器、隔离开关、保护器等主要元器件集中在一个模块内实现一体化,对故 障回路维修或更换只需进行相应模块的插拔操作即可完成。 这些结构改进可显著 减少因停电对煤炭生产造成的影响。 外壳门盖的结构也由单一的提升式快开门向 平移式快开门形式发展,使得门盖的开闭操作更加简便快捷。 作为矿用防爆开关主元件之一的智能控制器(保护器)也在向真正实现智能 化发展,为打造煤矿物联网奠定基础。这就需要保护器具备遥信、遥测、遥控、 遥调和遥视的“五遥”功能。还要增加频率、功率和主触点温度的测量,谐波和 基波的计算,精确分析电网质量,能与多种现场总线连接等功能。电流、电压测 量精度从原来±3%提高到±1%;功率测量精度从原来±10%提高到±3%;同

时还具备检测真空度并报警的功能,过电流保护特性不再是目前的一条曲线,而 是一组曲线,方便用户根据不同的负载类型和工况选择最佳的保护特性与之配 合。 例如某企业研制的新型矿用智能型保护器采用了双核微处理器,同时具有功 能强大的改进型哈佛结构和数字信号处理器计算功能,因此可以利用DSP高速、 重复的数据处理能力实现傅立叶分析,通过对电流互感器、电压互感器的二次信 号进行快速采集、 判断并发出指令, 实现对煤矿井下供电系统完善的保护和测量。 漏电保护的速度、精度、可靠性和选择性也比现有产品提高了一个数量级。该保 护器电源电压波动适应能力强,当电源电压波动范围在70%~120%之间仍可正 常工作。 同时还具有良好的电磁兼容性,适合在煤矿井下强电磁干扰复杂环境中 应用。 高压配电装置和低压馈电开关采用具有可靠性高、 结构简单等优点的永磁操 作机构也不断增加,除了各具特色的双稳态和单稳态永磁操作机构,还出现了三 相独立操作的永磁机构, 与专用智能保护器配套使用可实现对三相主电路分别进 行选相合闸、过零点分闸的高精度准确控制。

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结语

通过煤矿井下在用产品的变化和分析可以看出, 矿用防爆开关的产品更新和 研发速度在加快,第一代产品基本被淘汰,第二代产品逐步萎缩,第三代产品迅 速增长;许多企业都在根据煤矿井下电力系统的特点和要求,自主开发有特色的 产品,防爆开关整机、电器元件、智能控制器等生产企业技术相互渗透也促进了 技术发展。 国内企业研发投入与国外著名大公司相比仍有较大差距,这是造成国 内外同行业技术水平差距的重要原因之一。 目前国内制造企业研发重点主要从提 高绝缘水平、全面推行隔爆兼本质安全型、内部主元件模块化、基于煤矿物联网 的智能化控制和保护等四方面实现矿用防爆开关的技术发展, 而提高低压馈电开 关短时耐受电流性能尚须引起重视。 以便能够满足在煤矿井下实现短路选择性保 护和低压配电系统短路容量增加的需求。


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