1、高產(chǎn)高效工作面3.3kV組合開關(guān)的設(shè)計與試驗研究Design and Experiment Research on the 3.3kV Combined Switchgear for High Efficiency Coal Mining Face報 告 人: 陳懷道導(dǎo) 師: 宋建成 教授企業(yè)導(dǎo)師: 陳漢英 高工隨著高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，煤礦井下綜合機械化采煤工作面供電電壓升高至3.3kV已成為主要發(fā)展方向。安全是煤礦工作的重中之重，研究高性能的多負荷集控設(shè)備，對于提高礦井生產(chǎn)安全性和保障人身安全具有重要的現(xiàn)實意義。性價比高 控制方式靈活具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)實現(xiàn)綜采工作面控制設(shè)備國產(chǎn)化的

2、要求研究內(nèi)容設(shè)計隔爆兼本質(zhì)安全型組合開關(guān)外殼確定主回路各主要元器件參數(shù) 確定組合開關(guān)運行方式和保護功能利用工業(yè)樣機在晉城煤業(yè)集團進行工業(yè)性試運行 組合開關(guān)方案設(shè)計 組合開關(guān)功能要求 組合開關(guān)微機系統(tǒng)的選擇 當(dāng)組合開關(guān)內(nèi)部由于電火花而引發(fā)燃燒或爆炸時，外殼能承受內(nèi)部爆炸性氣體混合物的爆炸壓力,并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍爆炸性混合物的傳播。 隔爆功能的要求 除了設(shè)計工作可靠的控制系統(tǒng)外，防爆外殼也應(yīng)滿足安裝檢修方便的要求，最大限度地減少檢查和排除故障的時間，保證煤礦 連續(xù)生產(chǎn)。 檢修功能的要求 在防爆外殼內(nèi)劃分出一個與其它腔體完全獨立的本質(zhì)安全腔，通過該腔體引出先導(dǎo)電路的遠控按鈕。同時，從主腔體引

3、到該腔體的控制線，必須在穿越腔體時進行隔爆處理。 本質(zhì)安全的要求 在組合開關(guān)設(shè)計了一個獨立的CPU腔，放置組合開關(guān)測控系統(tǒng)所用到的CPU及其外圍擴展模塊,將接觸器、隔離開關(guān)等大功率控制器件分腔體布置,避免主回路發(fā)生故障時產(chǎn)生的電弧燒毀腔體內(nèi)的其它元件。腔體功能的要求 外殼設(shè)計(體積小)隔爆方式的選擇 主腔體采用快開門結(jié)構(gòu)平面隔爆方式 隔爆腔之間采用十七芯把線螺紋隔爆 按鈕和萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)采用圓筒隔爆 各個隔爆腔的端蓋采用螺絲緊固平面隔爆方式 防爆外殼設(shè)計 隔爆外殼總體設(shè)計采用三箱五腔式結(jié)構(gòu)，所謂“三箱”，是指一個主箱、兩個副箱；“五腔”是指主腔、隔離開關(guān)腔、控制變壓器腔、PLC控制腔及本安腔，這

4、種結(jié)構(gòu)能很好的實現(xiàn)隔爆和抗干擾的要求。 隔爆面設(shè)計 隔爆外殼強度設(shè)計 隔爆外殼焊接工藝 -0.150.200.25-0.200.200.200.200.200.20-6.08.09.015.06.012.525.040.0平面、止口或圓筒結(jié)構(gòu)2.0V0.1V2.0V0.1外殼容積V，1W, mmL1mmLmm接合面型式B型隔爆接合面結(jié)構(gòu)參數(shù)65.09.012.5V0.10.1V2.02.0所以，根據(jù)故障狀態(tài)不同，做出不同響應(yīng)，從而實現(xiàn)不對稱電流故障保護功能。組合開關(guān)電壓保護 暫態(tài)過電壓保護原理圖 電壓故障保護原理圖 R1RP1UVVABCC2B1TVC15.9937805.1433004.32

5、28205.8937205.0432404.1827605.7836604.9431804.0727005.6736004.8231203.9826405.5735404.7330603.8625805.4634804.6330003.7525205.3534204.5229403.6624605.2433604.4028803.562400UVV/V電壓/VUVV/V電壓/VUVV/V電壓/V電壓故障保護試驗數(shù)據(jù) 由表看出:電壓幅值信號與電源電壓成嚴格線性比例關(guān)系，PLC實時檢測UVV大小。假設(shè)過電壓故障整定值所對應(yīng)的信號值為UHV，欠電壓故障整定值所對應(yīng)的信號值為ULV。則ULVUVVUH

6、V時，PLC根據(jù)曲線計算實際電壓并顯示；UHVUVV或UVVULV時，PLC根據(jù)曲線計算實際電壓值，同時啟動定時器，按整定時間延時結(jié)束后，若系統(tǒng)還處于電壓故障狀態(tài)，PLC發(fā)出跳閘信號并記憶故障參數(shù)，實現(xiàn)電壓保護功能。 5.9937805.1433004.3228205.8937205.0432404.1827605.7836604.9431804.0727005.6736004.8231203.9826405.5735404.7330603.8625805.4634804.6330003.7525205.3534204.5229403.6624605.2433604.4028803.56240

7、0UVV/V電壓/VUVV/V電壓/VUVV/V電壓/V電壓故障保護試驗數(shù)據(jù) 組合開關(guān)人機通道BCD碼撥盤結(jié)合轉(zhuǎn)換開關(guān)大屏幕液晶顯示結(jié)合狀態(tài)直觀顯示數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)輸出人機通道操作人員對組合開關(guān)的狀態(tài)干預(yù)和數(shù)據(jù)輸入 組合開關(guān)向操作人員報告運行狀態(tài)與結(jié)果高低速轉(zhuǎn)換延時時間程控方式延時時間電壓保護動作值運行方式高低速轉(zhuǎn)換電流值漏電閉鎖動作值過載復(fù)位方式選擇六回路短路倍數(shù)六回路額定電路控制方式C P U 系統(tǒng)電壓保護動作時間組合開關(guān)人機通道BCD碼撥盤結(jié)合轉(zhuǎn)換開關(guān)大屏幕液晶顯示結(jié)合狀態(tài)直觀顯示數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)輸出人機通道操作人員對組合開關(guān)的狀態(tài)干預(yù)和數(shù)據(jù)輸入 組合開關(guān)向操作人員報告運行狀態(tài)與結(jié)果高低速轉(zhuǎn)換延

8、時時間程控方式延時時間電壓保護動作值運行方式高低速轉(zhuǎn)換電流值漏電閉鎖動作值過載復(fù)位方式選擇六回路短路倍數(shù)六回路額定電路控制方式C P U 系統(tǒng)電壓保護動作時間組合開關(guān)人機通道數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)輸出人機通道BCD碼撥盤結(jié)合轉(zhuǎn)換開關(guān)大屏幕液晶顯示結(jié)合狀態(tài)直觀顯示操作人員對組合開關(guān)的狀態(tài)干預(yù)和數(shù)據(jù)輸入 組合開關(guān)向操作人員報告運行狀態(tài)與結(jié)果人機通道數(shù)據(jù)輸出功能的實現(xiàn)初始化顯示整定參數(shù)顯示運行狀態(tài)顯示自診斷顯示大屏幕液晶屏狀態(tài)直觀顯示顯示面板顯示原理顯示內(nèi)容基本上涵蓋了組合開關(guān)的所有狀態(tài)組合開關(guān)通訊系統(tǒng)通訊系統(tǒng)組合開關(guān)與上位機間的通訊PROFIBUS-DP通訊方式（1）現(xiàn)場總線的技術(shù)特點 系統(tǒng)的開放性。 可操

9、作性與互用性。 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。（2）現(xiàn)場總線的優(yōu)點 節(jié)省硬件數(shù)量與投資。 節(jié)省安裝費用。 節(jié)省維護開銷。 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。工業(yè)性試運行利用3.3kV組合開關(guān)的工業(yè)樣機，在晉城煤業(yè)集團寺河礦3312綜采工作面進行了工業(yè)性試運行，目的是進一步檢驗組合開關(guān)的運行可靠性，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，并迅速排除，為組合開關(guān)形成產(chǎn)業(yè)化奠定堅實基礎(chǔ)。晉城煤業(yè)集團寺河礦 設(shè)備名稱制造公司型號數(shù)量采煤機德國艾可夫公司SL5001部液壓支架鄭州煤機廠ZY8600/25.5/55130架刮板運輸機張家口煤機廠SGZ100

10、0/14001部轉(zhuǎn)載機張家口煤機廠SZZ1200/3151部破碎機張家口煤機廠PCM3151臺可伸縮帶式輸送機集團公司機廠DSJ1400/2500/34001部乳化液泵無錫威順公司BRW400/3153臺清水泵無錫威順公司KMPB320/10型噴霧泵2臺組合開關(guān)山西潞安海通公司3.3KV六組合開關(guān)1臺移動變電站撫順特種變壓器廠KBSGZY-2000/6/3.45kVKBSGZY-1250/6/1.14kVKBSGZY-1000/6/1.14kV5臺寺河礦3312工作面主要設(shè)備列表 2006年12月1日，截止2007年4月1日，試用了三個月，最高日產(chǎn)量2.51萬噸，平均日產(chǎn)量2萬噸以上；平均月產(chǎn)

11、原煤56萬噸，最高月產(chǎn)量63萬噸。經(jīng)過3個月的井下工業(yè)性試運行，組合開關(guān)運行穩(wěn)定，具有較高的工作可靠性。其靈活的控制方式可以滿足高產(chǎn)高效綜采工作面所有大型負荷的控制要求；其健全的保護功能可以實現(xiàn)對被控負荷故障狀態(tài)的正確保護，提高了電動機的運行壽命；其方便的參數(shù)交互通道，方便了操作人員控制組合開關(guān)運行狀態(tài)，大屏幕液晶及狀態(tài)直觀指示使操作人員可以迅速找到故障，減少了排除故障的時間，提高了工作效率。 工業(yè)性試運行結(jié)果表明，3.3kV組合開關(guān)功能健全、工作可靠性較高，具有良好的市場需求，可以形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。研究結(jié)論1根據(jù)生產(chǎn)實際要求，提出了3.3kV組合開關(guān)的控制策略和控制方法。2確定了以PLC為

12、中央控制單元的控制方案，完成六回路電動機的短路、過載、斷相、欠壓及過壓等保護功能。確保了測控系統(tǒng)動作的準(zhǔn)確性和可靠性。3設(shè)計了結(jié)構(gòu)合理、操作方便的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型組合開關(guān)的外殼，其三箱五腔式結(jié)構(gòu)不僅能夠良好的滿足組合開關(guān)控制與保護功能的實現(xiàn)，而且獨立腔體的結(jié)構(gòu)有效地保證了組合開關(guān)微機系統(tǒng)的工作可靠性，降低了組合開關(guān)主回路發(fā)生故障時的損失。 4根據(jù)被控負荷的功率及運行要求，設(shè)計了裕度合理的主回路連接方式，選擇了主回路各個元件，保障了系統(tǒng)的正常運行。5根據(jù)我國礦井電網(wǎng)的實際情況，制定了組合開關(guān)各種保護功能的技術(shù)指標(biāo)，合理的技術(shù)指標(biāo)和健全的保護功能保證了異步電動機工作的可靠性和安全性。6以本文內(nèi)容為核心構(gòu)成的3.3kV組合開關(guān)經(jīng)過3個月的工業(yè)性試運行表明，組合開關(guān)功能健全、工作可靠性較高，可以形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。 感謝大家！敬請各位老師指導(dǎo)！組合開關(guān)的基本技術(shù)要求設(shè)計如下：（1）額定電壓：3300V。（2）額定頻率：50Hz。（3）額定工作電流：六組合總電流為700A；單臺隔離換向開關(guān)為700A；單臺接觸器為400A。（4）本安電路最高開路電壓10V。（5）本安電路最大短路電流10mA。（6）允許電源電壓波動范圍：75%110%Un。（7）單臺接觸器極限分斷能力：4.5kA。（8）機械壽命：接觸器100萬次；隔離換向開關(guān)0.3萬次。（9）電壽命：不少于6萬次?；?/p>