魏 杰 朱熀秋 周 超 孙玉坤

（江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）

矿用隔爆移动负荷中心主要由高压负荷开关、隔爆型干式变压器、低压馈电开关等组成。对隔爆移动负荷中心检修发现各个部分均存在一定的技术缺陷，如负荷中心二次线圈至低压头连接线存在漏电、不能分断故障点的死区、隔爆干式变压器线圈绝缘老化、铁心过热、噪声大、有凝露等问题。分析故障原因，及时改进工艺，应用新技术，对于保证矿用隔爆移动负荷中心的安全稳定运行非常重要。为此，本文针对矿井隔爆移动负荷中心运行过程中存在的安全隐患以及常见的电气故障进行分析并提出相应解决措施。

1 隔爆干式变压器常见问题与解决措施

1.1 结构部分存在的问题与解决措施

目前，矿用隔爆型干式变压器主要由磁心或称铁心、绕组、波纹外壳等组成。

1）结构存在的技术问题

（1）由于其波纹外壳两侧为直立波纹，因此机械强度低，散热效率差。

（2）由于波纹外壳的上侧和下侧波纹的波峰或波峪为半圆型，与变压器的器身吻合较差，因此外形高度尺寸大。

（3）由于其矩形截面导线的宽面沿扁圆形绕组的轴向平行排列，因此绕组的机械强度较差。

（4）由于构成绕组层间的散热通道或高压绕组与低压绕组间的绝缘散热通道的撑条横截面为矩形，因此，不但影响绕组散热，而且其成本较高。

（5）由于其穿过波纹外壳的信号温度控制引出线接线座采用树脂将四只导电杆和安装法兰浇铸成一体的整体结构，易开裂，成品率低，因此造价高、可靠性低。

2）解决措施

（1）在波纹外壳的两侧直立波纹外侧各焊有导向散热加强板，散热面积较老式隔爆壳体的散热面积要多出3～4倍，有效提高了变压器整机的散热效率。

（2）导向热散热加强板上可设有波纹槽或肋。

（3）波纹外壳上侧或下侧波纹的波峰或波峪为与磁心、绕组等构成的器身相应的弧形。

（4）绕制扁圆形筒式绕组的矩形截面导线的宽面沿扁圆形筒式绕组的轴向垂直排列。

（5）绕组层间散热通道或高压绕组与低压绕组间的绝缘散热通道采用横截面为H形或凹形或L形的撑条。

（6）穿过外壳的信号温度控制引出线接线座采用中心有孔的绝缘套和相应的绝缘垫圈，且直接装在波纹外壳端盖设有的孔上，并用导电杆穿过绝缘套和绝缘垫圈固定的结构。

1.2 线圈部分存在的问题与解决措施

绕组一般采用圆筒式结构，较大型电站线圈高压侧采用连续纠结式，绕组采用H级绝缘，具有良好的电气强度、机械强度及耐热性能。

1）线圈部分存在的问题（1）线圈首匝冲击电压影响较大，造成匝间短路。（2）线圈在紧固、浸漆时不好，造成线圈使用中长期微震动，产生磨损，线圈匝间绝缘损坏短路。

（3）由于铁心及线圈自身发热，热积累较大，造成线圈绝缘老化。

（4）纠结线段与引线及分接点处引线圈距离近，造成放电。

（5）绕制线圈不圆滑，表面局部有凸起现象，造成匝间绝缘损坏。

（6）绕组中有负载电流通过时,负载电流产生的漏磁引起绕组或磁屏蔽的振动。

2）解决措施

（1）加强移动负荷中心首匝绝缘，尤其是首匝弯折处绝缘，应用聚酰亚胺薄膜加强绝缘，同时用拉紧带进行很好的固定，在焊接引线时用玻璃丝绳将焊接周围绝缘包好，以免损伤绝缘。

（2）检查线圈上下夹紧件，上下夹紧点一定要对齐，线圈浸漆时一定要采用真空压力浸漆，干燥完要检查线匝之间固定情况。

（3）由于干式变压器采用空气自冷，器身安装在隔爆外壳内，壳内的热量靠空气对流和辐射传递到壳外，散热条件较差。对检修的移动负荷中心要认真检查电站的绝缘有无老化现象，及时进行线圈大修理。

（4）纠结线段与距离引线要在25mm左右，分接点处引线与线圈距离在20mm左右。

（5）根据线圈的损坏程度，制作重绕线圈模具。

1.3 铁心部分存在的问题与解决措施

1）存在问题

矿用隔爆移动负荷中心采用三相芯式叠状结构，采用高导磁晶粒取向冷轧电工硅钢片，45°全斜接缝，检修的移动负荷中心发现存在如下问题：

（1）硅钢片加工毛刺较多，叠装后压破绝缘漆膜，漆膜脱落造成片问短路。

（2）由于井下的特殊环境，铁心剪口断面受潮，表面锈蚀严重。

（3）由于绝缘件垫的不到位，造成45°斜接缝对接不好，铁心发热大。

（4）铁心有多点接地现象。

（5）电源电压过高，变压器铁心有噪声。

（6）变压器铁心产生的磁致伸缩和硅钢片的平面振动，导致变压器铁心有噪声。

2）解决措施

（1）铁心叠装时，认真检查损伤的硅钢片，对有毛刺的、弯曲的、边缘有卷边的一律不使用。

（2）对铁心的剪口断面做防锈处理。

（3）检查上下铁轭所垫绝缘情况，保证45°斜接缝对齐。

（4）检查铁心接地情况，尤其是总装壳体后。因为这时有可能由于吊装压紧件松动，造成铁心多点接地。

（5）检查电网电压，消除过电压。

（6）铁心结构采用磁致伸缩小的硅钢片、绕制铁心过程中要注意工装中心重合、硅钢片受压力均匀或采取无冲孔、全斜、台阶式交错接缝，上下铁扼用低导磁钢拉板固定，并用意大利高强度H200玻璃纤维绑扎粘带紧固结构，有效地降低了噪声、空载损耗和空载电流，从而加强铁心结构的可靠性和先进性。

2 高压负荷开关及低压馈电开关部分存在问题与解决措施

2.1 存在问题

从运行情况来看，现在使用的移动负荷中心存在一定的技术缺陷和安全隐患。

（1）高压负荷开关虽能带负荷操作，但本身没有保护，只能起到近似隔离开关作用，且不能分断故障电流。

（2）变压器低压绕组至低压馈电开关回路漏电时无法进行保护。

（3）为了方便电站检修，需在高压头前做增设高压真空开关进行停送电操作，既增加了设备投资又使供电系统变的更为复杂。

（4）高压电缆连接器容易出现故障，影响供电可靠性。

（5）低压馈电开关真空断路器分断大电流能力较差，故障率较高。

（6）低压馈电开关综保设备多为分立元件，可靠性差，故障率较高。

（7）存在技术缺陷，缺少相敏保护和断相保护原理，使大功率的电动机的短路保护整定难以满足其灵敏度的要求。

2.2 解决问题的技术措施

为解决上述问题，引进了新型开关，如图1所示。新型开关高压侧为高压配电装置，低压侧为保护箱，是目前国内最先进的配置形式，其主要优点为

图1 高低压开关组合

1）新开关具有完善的微机保护系统，低压侧保护与高压侧保护形成双重保护，解决了变压器低压侧绕组至馈电开关回路漏电不能分断故障点的死区问题，并可根据电缆长短进行分布电容补偿。

2）不必在移动负荷中心前增设高压真空配电装置，减少了巷道占用空间，简化了停送电操作程序，维修方便、安全。

3）可省掉原有的高压电缆连接器，提高了供电可靠性。

4）具有低压保障分离高压的控制和保护系统，突破了低压馈电开关真空断路器的电流瓶颈，可避免因低压侧分断电流大造成的供电故障。

5）增加了相敏保护，完善了起动电流和远端短路电流的筛选，解决了大功率电动机的起动和短路保护的整定问题，而增设的断相保护使得在发生不对称短路故障时也能实施保护。

6）可在外部对各项保护参数进行整定，方便快捷。

3 供电线路常见故障与解决方法

3.1 常见故障

1）在矿井供电系统中，最常见的短路故障类型有三相短路、两相短路和单相接地短路。

2）断相故障是指电动机的一种不正常运行状态，它是由于电源一相断线造成的。绝大多数断相运行发生在采用熔断器作为短路保护的供电系统中，由于一相熔断器熔断而造成了断相运行状态，少数是由于导体断线或接点脱落等引起的。

3）过载故障是煤矿井下供电系统的不正常运行状态，过载后电网的电流相位对称，幅值大于整定电流，当设备的运行温度超过其允许温升时，就要对电网进行保护。

4）由于矿井中大部分供电线路为电缆供电，井下空间狭小，环境恶劣，阴暗潮湿，供电电缆的受潮和机械损伤使电缆经常发生单相漏电故障。

5）煤矿井下综合采掘工作面使用的用电设备如异步电动机等，多为感性负载。断路器中多次电弧重燃会引起过电压。

6）现代大型变压器额定工作磁密一般为BN=(1.7～1.8)T，而饱和磁密BS=(1.9～2.0)T。两者差不多，可见现代大型变压器极易饱和，当正常运行时突然甩负荷会导致变压器电压升高造成过励磁，铁心饱和后励磁电流急剧增大，一方面危害金属部件使得其温升过高，严重时会造成局部变形和损伤周围绝缘介质促使其老化。另一方面饱和后励磁电流有许多高次谐波分量，涡流损耗与频率平方成正比，因此造成变压器严重过热。

3.2 解决措施

1）针对上述各种短路故障时的电气特征，三相对称短路故障采用相敏保护原理，即通过检测电流信号幅值大小和系统电压、电流的相位差即功率因数，就可以有效的将起动电流与短路电流区分开来，使短路保护可靠性得到提高；其它几种不对称短路故障电网中都会产生负序电流分量，根据负序电流的大小来判断不对称短路故障，故采取断相保护原理。

2）由于当发生断相故障后，电网中存在负序电流，所以断相保护措施采用负序电流保护原理。基于负序信号检测的保护原理就是利用故障线路中反映负序分量的电流作为故障判断的依据，从而达到断相和不对称短路故障保护的目的。

3）根据电动机的过载故障特性，采用鉴幅式检测和改进的反时限动作原理来实现过载保护功能，即过载电流倍数越大，允许过载时间越短，过载电流倍数越小，允许过载时间越长。反时限过载特性：tg=C/(K2-I)。

4）选择基于零序功率方向的矿井低压电网选择性漏电保护技术作为矿用隔爆负荷中心选择性漏电保护。该系统由总馈电开关和分馈电开关联合构成，总开关采用附加直流电源检测原理检测是否发生漏电，分开关采用零序功率方向检测原理判断发生漏电故障的线路。附加直流电源检测原理与零序功率方向检测原理的结合，可以保证电网漏电保护动作的瞬动性和电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性，还可以有效的避免传统单一方法无法对漏电故障线路做出有效选择的弊端，最大程度的缩小因漏电保护造成的断电范围，既可完成井下低压电网单相漏电时的横向选择性和纵向选择性保护功能。

5）针对过电压类型不同，暂态过电压即过电压值一般都超过2.5倍的额定电压，甚至达到6倍额定电压，为了避免引起电气设备绝缘击穿，通常采用的抑制和保护措施有：压敏电阻抑制操作过电压，保证过电压不超过额定相电压（峰值）的 2.5倍。稳态过电压和欠电压采用鉴幅式保护原理，线电压经电压互感器 PT、整流电路 CU、滤波电路 FT等变换后送至PLC的A/D转换模块，CPU对该信号进行采样、判断与处理。如图2所示。

图2 欠压、过压保护硬件框图

6）如图3所示，对过励磁保护，以测量电压频率比U1/f为依据的过励磁保护原理框图。图中UV为中间变换器，其输入端接电压互感器二次侧；输出端接R、C串联回路。电容C两端电压UC经整流滤波后，接执行元件。当UC达到整定值，执行元件动作。

图3 变压器过励磁保护原理

4 其他常见故障及解决措施

4.1 常见故障

1）由于矿用隔爆干式变压器是密封的，故其散热困难，经常出现过热现象，绕组过载或内部发生匝间短路故障时，也将会发生过热现象。

2）由于井下湿度大，壳体内外温差大，导致凝露的产生。

3）矿井下存在大量瓦斯，浓度适当时极易发生爆炸。

4.2 解决措施

1）针对过热现象长期存在对设备稳定性的影响，需增加温度测量装置对各个部分的温度进行测量和实时监测，从而使得设备运行更加安全。

2）通过加装湿度传感器STH75（如图4所示）对井下适度进行实时监测并且使用铜水热管进行热交换，均匀了壳体整体温度，起到了抗凝露的作用。

图4 STH75湿度传感器

3）通过在隔爆干式变压器内部加装瓦斯浓度监测传感器如采用KGS-20 型可燃气传感器，该传感器以二氧化锡为基本敏感材料的，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。测量电路如图5所示。对瓦斯浓度进行监测，以采取相应措施，保证生产安全。

图5 瓦斯测量电路

5 结论

本文针对矿井隔爆移动负荷中心运行过程中存在的安全问题以及常见的电气故障进行综合分析，针对存在的问题，提出了改进方法，本文提出的解决措施，对于保证矿用隔爆移动负荷中心安全稳定运行有着参考价值。

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