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摘要
在煤礦高壓開關(guān)柜運行中，由于受到多種因素的干擾，中低壓母線發(fā)生故障的概率較高，在中低壓母線裝設(shè)中又沒有設(shè)置專門的保護，所以開關(guān)柜電弧光短路等問題時有發(fā)生，對變壓器等設(shè)備造成一定的損害。鑒于此，對電弧光對開關(guān)柜和供電系統(tǒng)造成的損害進行了分析，并對煤礦高壓開關(guān)柜電弧光保護裝置設(shè)計與應用進行了探討。
高壓開關(guān)柜主要應用于電網(wǎng)電站中，但隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，高壓開關(guān)柜的應用范圍得到了很大的拓展。在中國煤礦電網(wǎng)容量不斷，中低壓配電系統(tǒng)規(guī)模擴大的情形下，高壓開關(guān)柜在煤礦行業(yè)中得到了有效應用。
由于中國煤礦電網(wǎng)容量的，中低壓配電系統(tǒng)規(guī)模也得到了一定的擴大，但是由于中低壓母線操作頻繁，加上人為操作不當?shù)囊蛩?，設(shè)備磨損嚴重，母線出現(xiàn)故障的概率比較大。另外，因為一般不對中低壓的母線設(shè)置保護裝置，所以在切除故障電流上所用的時間較長，使得設(shè)備被損壞的程度較大，給煤礦企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失。因此，一定要注意煤礦開關(guān)
柜中電弧光保護裝置的設(shè)置，以免影響母線的運行，降低事故發(fā)生的概率。
關(guān)于電弧光的參數(shù)，可以從功率、溫度、電壓和光照強度幾個方面來分析。首先在功率上，電弧光在產(chǎn)生的過程中，其可以達到的大瞬時功率為40MW。整個弧光生成中設(shè)備內(nèi)部的溫度可以達到1×104℃～2×104℃，而在產(chǎn)生和結(jié)束的瞬間，其溫度可以達到4500℃。此外，弧光的大電壓可以達到500V～1000V，弧光的光照強度可達正常光照強度的2000倍。
從電弧光的參數(shù)來看，其溫度、電壓和光照強度都超出正常范圍，尤其是在電弧光的溫度上，其溫度是太陽溫度的2倍，這么高的溫度會使得接線銅排、鋁排等融化損壞，引起電纜和電纜包覆層著火。同時，過大的壓強可能會導致開關(guān)設(shè)備爆炸，從而產(chǎn)生大量有害氣體，威脅人體健康。另外，在壓力過大和溫度過高的環(huán)境下，事故頻發(fā)，人員傷亡概率提升。在煤礦行業(yè)，由于大部分作業(yè)是在井下環(huán)境中進行，工作環(huán)境十分惡劣，溫度高且本身就有有害氣體的存在，如果由于電弧光溫度和電壓、功率導致設(shè)備出現(xiàn)故障或者爆炸事故，便會提高作業(yè)的危險性，使人員和設(shè)備材料受到損害，給煤礦企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。
關(guān)于設(shè)備內(nèi)部電弧光出現(xiàn)的故障問題，隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的原因除了有電磁效應外，還有聲波、光熱效應和壓力等的影響。所以近幾年來中國根據(jù)故障原因分析結(jié)果，研究開發(fā)了不同故障引起的電弧光檢測保護裝置，通過電弧光檢測，有效解決了過去電弧光保護反應時間太長的問題。電弧光保護裝置在煤礦行業(yè)高壓開關(guān)柜中的應用，主要是在開關(guān)柜不同的單元中設(shè)置壓力傳感器，這樣通過壓力檢測可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備中的故障問題，然后使故障電流供電的斷路器跳閘，避免故障電流流通；有的是根據(jù)電弧
光的溫度熱量效應，設(shè)置了符合電弧光特性和運作機理的繼電器，像金屬絲電弧光繼電器，就被廣泛應用到煤礦高壓開關(guān)柜中；有的是利用電弧光產(chǎn)生的電磁能量設(shè)置相應的保護裝置，例如單向電流電弧保護裝置、電弧接地保護裝置等；有的則是利用電弧光的聲波、光照和壓力效應以及電流組合來設(shè)置相應的保護裝置，對設(shè)備進行保護；還有的通過對絕緣失效的早期信號進行檢測并設(shè)置保護裝置，可以通過檢測高壓開關(guān)柜中臭氧的體積分數(shù)來采取相應的保護措施。在中國傳感器的研究開發(fā)上，針對電弧光參數(shù)和危害所形成的光纖傳感器是一種有效的保護裝置，該裝置具有抗電磁干擾能力強、電絕緣性好和靈敏度高的特點，對信號具有很強的敏感反應能力和傳輸作用。尤其是在煤礦行業(yè)，在中低壓環(huán)境中，受到外界復雜環(huán)境因素的影響，開關(guān)柜受到的電弧光電磁能量干擾很強，而光纖傳感器則能憑借其抗電磁能力高和電絕緣性能好的優(yōu)點顯示出的應用優(yōu)勢，不僅可以對電弧光進行有效檢測，還可以對整個煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)起到有效的電弧光保護作用。
電弧光對內(nèi)部系統(tǒng)造成的故障損害程度主要與故障發(fā)生時系統(tǒng)對故障的敏感性和反應能力有關(guān)。也就是說，電弧光故障電流能否被及時切斷關(guān)系著電弧光引起的故障對整個系統(tǒng)的損害程度。一般來說，只有總的切除時間在85ms及以下時才能使設(shè)備不受到損害，而超過這一特定值就可能會對設(shè)備造成損害，尤其當整體切除時間超過100ms之后，便會對設(shè)備造成很大程度的損壞。為了避免中低壓母線受到損害，進而影響內(nèi)部設(shè)備系統(tǒng)的正常運行，目前主要采取的保護措施如下：
a)設(shè)置電弧光變壓器后背過流保護措施，一般規(guī)定的保護反應時間為1.2s～1.4s；
b)設(shè)置饋線速斷保護閉鎖的變壓器后背過流保護措施，該保護措施對電弧光故障電流的保護反應時間為300ms～400ms；
c)設(shè)置高阻抗保護措施，對故障電流的保護反應時間在35ms～60ms之間。從這些保護措施上來看，目前關(guān)于中低壓母線的電弧光保護還有很大的進步優(yōu)化空間，因為前兩種保護措施保護動作時間，也就是對故障電流的總切除時間肯定超過了100ms，反應保護時間太長，所起到的保護作用很小；后一種保護措施雖然反應保護時間在規(guī)定的理想范圍之內(nèi)，但是其保護范圍卻又受到CT安裝位置的限制，所以不僅安裝不方便，而且在保護時并不能延展其保護范圍，材料成本比較高。
在煤礦行業(yè)中，對于其開關(guān)柜中電弧光保護裝置的技術(shù)方案，需要結(jié)合不同煤礦的特點，尤其是煤礦開關(guān)柜母線保護的現(xiàn)狀、各自母線故障發(fā)生的規(guī)律以及各個煤礦的負荷來制訂，使得電弧光保護裝置可以滿足煤礦配電網(wǎng)的運行特點，然后再進行有效的計算分析。
下面結(jié)合A煤礦技術(shù)實施方案對電弧光保護裝置的實施進行簡要探討。在該方案中，電弧光保護裝置安裝在6kV進線柜中，每一臺裝置采集所在進線柜的三相電流和跳閘信號，主要對進線柜進線開關(guān)和相鄰的母聯(lián)開關(guān)信號進行采集。同時，電弧光光纖傳感器安裝在每一個開關(guān)柜的母線室壁上，目的是對母線系統(tǒng)，包括主母線和各條分支母線進行監(jiān)督控制，及時發(fā)現(xiàn)母線系統(tǒng)運行中存在的問題并加以解決。此外，監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置主要利用的是以太網(wǎng)。在該技術(shù)方案中，電弧光保護裝置可完成信息的采集、計算和顯示、通訊以及跳閘、保護和異常信號檢測等，可以進行靈活的插件選配，根據(jù)應用需要形成電弧光保護系統(tǒng)。其中，光纖傳感器除了可以進行電流信號遠距離傳輸和采集之外，還可以作為光感應元件，當電弧光由于光照強度過大而出現(xiàn)故障時或者在檢測時出現(xiàn)突然增強的光照時，便能將模擬信號傳輸給電弧光保護裝置，從而實現(xiàn)對裝置設(shè)備的保護。
綜上，對取得過的電弧光保護措施進行了分析研究，主要分析了其保護動作反應時間，發(fā)現(xiàn)取得過的保護措施一方面無法達到理想的動作保護時間，另一方面在保護范圍上也受到多種因素的限制。然后在研究總結(jié)傳統(tǒng)過流型保護和差配合、弧光非電量型保護和差配合兩種保護措施的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)方案的實施可實現(xiàn)對煤礦供電系統(tǒng)的保護，降低事故發(fā)生的概率，提高故障分析處理的能力。此外，在對電弧光保護裝置進行選擇時，還需要根據(jù)不同煤礦的特點來研究母線故障的變化規(guī)律，從而使得所設(shè)置的電弧光保護措施能更加符合煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)的實際需要。
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