梅山2#主井提升系统电控危险因素分析及安全技术保护措施应用
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【摘要】本文重点对梅山2#主井交-交变频装置及控制系统危险因素进行了分析，并系统阐述了相应的安全技术保护措施在梅山提升机上的应用。
【关键词】矿井提升机；电控系统；危害因素；安全保护措施
众所周知，在矿井提升系统中，提升机控制系统占有极其重要的地位也是最为薄弱也和最为核心的部分。它的运行安全至关重要。本文作者结合梅山2#主井ABB公司的交交变频矢量控制系统实例，对梅山2#主井提升系统存在的危险因素、系统安全保护技术措施运用及改进方案作以下分析。
1矿井提升机电控系统的发展及现状
目前，在我国矿井提升电力传动系统中，有直流传动提升系统和交流传动提升系统两大类。20世纪70年代以前，交流传动提升机的广泛应用。由于其电气调速性能较差，在减速段和爬行段需要另外增设传动装置，如动力制动、低频传动以及晶闸管串级传动等，虽然调速性能得到了改善，但设备的投资费用和系统复杂性也增加了。由于交流传动受主电动机和控制设备制造容量的限制，所以，对于提升容量大、运行速度高的大、中型矿井，一般采用直流传动提升系统。随着我国晶闸管变流器传动研发技术的飞速发展，对大功率交-交变频装置传动系统进行了设计和改造，取得了良好的效果。特别是在大功率、低转速的传动场合其应用更为广泛、优点更为突出，表现出安全、稳定、低能耗等特点。
2电控系统中的主要危害因素分析
在矿井提升系统中，提升机控制系统占有极其重要的地位也是最为薄弱也和最为核心的部分。为保证矿井生产人员的安全，提升设备及其控制系统的运行必须安全、可靠，如果一旦发生故障，不仅使矿山生产陷于停顿，而且造成严重的设备事故。现就梅山2#主井提升机电控系统中存在的主要危险因素分析如下。
2.1变频器供电电源运行中存在的危害因素
变频器的供电变压器在运行过程中可能存在短路、超温、过载等危险因素，若安全保护装置失灵，可能导致提升系统事故发生。
2.2变流器单元设备运行中存在的危害因素
变流器单元设备运行中存在的危害因素主要有：可控硅零电流检测失败引起的短路电流；可控硅桥内的温度过高，引发速动跳闸；变流器输入浪涌电压对可导致电路损坏等，从而导致提升系统事故的发生。
2.3交-交变频装置同步电机运行中存在的危险因素
同步电机运行中可能存在电机轴承温度超温、电机超速运行、短路、过压、过热等危险因素，最终导致事故的发生。
2.4励磁变压器运行中存在的危害因素
励磁变压器运行中可能存在短路、过流、超温等危险因素；起动合闸时可能出现的浪涌电流。如果保护装置失效将导致提升事故的发生。
2.5交-交变频器装置存在的危害因素
交-交变频，特别是无环流交-交变频系统已运用于大容量的电动机调速系统。梅山主井控制系统采用无环流交-交变频系统。运行中可能存在零电流检测、无环流保护装置失效等危害因素。
2.6电源谐波干扰存在的危害因素
谐波干扰容易引起电压冲击可能导致可控硅烧坏和导致变频器周围电气设备损坏，而导致提升系统设备事故的发生。谐波干扰主要会对如下器件造成危害：
（1）电力电容器；根据IEC标准规定电容器最大电流只允许超载35%。实际运转时由于谐波的影响常发生严重过载。电容器阻抗随频率的增加而减少，成为一陷流点流人大量电流，导致电容器过热、增加介电质应力，甚至损坏电力电容器。
（2）变压器；电流谐波将增加变压器铜损，电压谐波将增加铁损，使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。
（3）同步电动机；谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往要降额使用。如果输入电动机的波形失真，会增加其重复峰值电压，影响电动机的绝缘。
（4）电力电子设备；电力电子设备在多种场合是产生谐波的谐波源，但他自身也很容易感受谐波失真而误动作。这种设备靠着电压的过零点或电压波形来控制或操作，若电压有谐波成分时，零点移动、波形改变，造成许多错误动作。
（5）保护继电器；由于高次谐波的影响，可能引起继电器过电压、产生绝缘损坏、振动引起的机械破坏等等。
（6）指示电气仪表；电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。20%的5次谐波将产生10%-15%的误差。过大的谐波电流，也很容易使仪器里的线圈损坏。
交-交变频装置（变压器、变频器、电机）主要采用故障监测和故障报警装置以避免外部和内部的故障、过流和过压对系统造成的破坏。并通过实施故障等级及设备的保护等级划分，在短时间内切断故障、处置故障，从而避免重大设备事故的发生。梅山矿业2#主井交-交变频装置（ABB变频装置）设有一个标准的控制和信号指示装置LCA450，该装置采用液晶显示面板2×32字符，在控制柜面板上清楚地显示每一个故障的内容，为确保提升系统的安全运行提供了技术保障。
3.1变频器供电变压器的安全技术保护措施
变频器供电变压器安全保护主要采取如下措施：
（1）主电路采用多功能快速断路器的短路保护。各变压器低压侧都装有短路保护，由安装在变压器原边的过流继电器进行控制。过流保护中所采用的多功能继电器具有延时动作的功能。由于电机和变压器是按相同的热稳定电流来计算，而电机与变压器又具不同的温升曲线，同时，电机的保护优先于变压器。因此，当出现较大的过电流时，继电器发出延时跳闸信号，首先切断主电路电源。
（2）在变压器中采用Pt100测温元件组成温度保护装置作为变压器的二级保护。
（3）具有过载保护功能，其原则也是以电机保护优先于变压器保护。
（4）采用低电压保护，通过安装在供电网络的低电压继电器来监控电压的变化情况。
（5）在变压器的二次侧还装有过电压吸收装置、接地故障继电器，同时还监控变压器的油面高度。油位高度监控及接地故障监控仅在故障状态下发出报警预告信号。
3.2变频器单元设备安全技术保护措施
梅山矿业2#主井提升系统的变频器由两组三相变流器组成。每相的变流器被独立安装在各自的变流柜内；励磁、控制和其它的辅助装置通常被安装在三个柜内。在一个变流器柜内安装有两个反并联的三相整流桥、脉冲放大器、快熔、风机及电压（电流）传感器。可控硅被安装在特制的柜架上，便于维修。每一相变流器的输出端都装有两个测量传感器，分别测量定子电流实际值和定子电压实际值。这些数据将用于矢量控制、电流控制和传动系统的监控及保护。因此，变流器单元设备，采用以下安全技术措施：
（1）快熔保护可控硅；快熔端部装有微动开关，以便发送熔断器熔断信号及显示熔断器的状态。
（2）在变流器的进线侧、输出侧及每个可控硅都装有R—C过压吸收装置。
（3）如果在可控硅桥内发生轻度的过温情况，热继电器将发出延时跳闸信号。
（4）在同步机和变频器之间装有直流快速开关。直流快速开关根据流过电机电流的实际大小而自动工作。在正常工作时，它们处于闭合状态，一过流，则自动跳闸断开电路。在需要时，也可以根据信号逻辑断开直流快速开关。
（5）变流器输入的过电压吸收，能有效地防止操作过电压、浪涌电压对电路所造成的破坏。
3.3变频装置同步电机安全保护技术措施
同步电机主要采取以下措施：
（1）使用PT100元件来测量电机轴温，当轴承温度超过容许值时，保护装置发出延时跳闸信号；当轴承温升过快且进入极限值时，保护装置发出速动跳闸信号。
（2）电机的超速保护仅通过程序软件执行。其中包括“失步”保护。一旦出现超速，控制系统立即跳闸。在特殊的情况下，故障速度由来自位置编码器上的速度实际值得到。
（3）同步电机通过多功能保护继电器进行保护。电流速动跳闸用于电机的短路保护，电流延时跳闸保护用于电机的短时过载保护，热保护用于电机过热保护。
（4）系统中采用PSR程序软件监控定子过压，由于在正常情况下负载的快速变化，将引起变频器的控制角进入极限值。因此，在过电压保护中必须有时间延时，当过压时，报警装置发出过压预告信号。
（5）同步电机的转子亦装有与励磁变压器二次侧、电缆母排一样的接地保护装置。转子的热保护采用和定子热保护同样的继电器及热模型。除此之外，在转子回路内还使用了一个单独过流继电器。使用软件对转子回路进行保护、监控，该软件通过测量Ur、Ir，并根据定子的温度来计算电机转子的温度。该温度是绕组的平均温度。
3.4励磁变流器的安全技术保护措施
励磁变流器主要保护措施如下：
（1）在每个可控硅上都装有快熔短路保护，当熔断器发出熔断信号后，立即中断系统工作。
（2）在逆变器的进线侧、输出侧及每个可控硅都装有R—C过压吸收装置。
（3）当可控硅桥内出现过温现象时，控制系统将根据温度的类别发出报警信号或跳闸信号。
（4）同步电机的励磁回路还设置“失磁”保护。当励磁电流下降到设定的最小值（20%）时，传动装置立即停止工作。
（5）同步电机的励磁绕组采用特殊的过压保护装置。该装置由一组反并联可控硅开关组成，并通过BOD电路进行触发，在变流器组的输出端（+）（-）极跨接一个电阻以限制流过开关的电流。
3.5交-交变频器装置的无环流安全技术保护措施
对小容量的通用变频器，高次谐波很少成为问题，但当使用的大容量变频器时，往往就会产生高次谐波电流和高次谐波干扰问题，因此对于高次谐波先采取适当的对策和预防措施是非常重要的。公司2号主井系统在抑制谐波方面主要采取以下技术措施：
（1）改善变频器结构：主要从变频器自身硬件结构或者整个变频系统的构建方式和设备选择等方面考虑，从根本上减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染。
1）变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，同时在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器；合理布线，屏蔽辐射，在电动机与变频器之间的电缆用铠装电缆，并和其他弱电信号线分走不同的电缆沟敷设，降低线路干扰，变频器使用专用接地线；
2）采用多相脉冲整流。我矿2号主井提升机采用12相整流的方法。12相脉冲整流的畸变大约为10%～15%，完全满足国际标准的要求。
3）逆变环节采用高开关频率的电力电子器件IGBT，提高载波频率比，抑制变频器输出端的高频谐波。
4）在逆变环节采用多重化技术，提高脉波数，使输出的电流电压波形更加接近正弦波。
（2）增加电抗器：
1）输入电抗器。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器，这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数（提高到0.75～0.85），这样进线电流的波形畸变大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
2）输出电抗器（电机电抗器）。由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，使电机无法正常工作，可以通过在变频器和电机间连接输出电抗器来进行限制。
（3）采取滤波电路：在变频器输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。
1）线路滤波器串联在变频器输入侧，由电感线圈组成，通过增大电路的阻抗减小频率较高的谐波电流；由于2号主井控制回路电缆较长，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，因此我们将线路滤波器串联在控制回路电缆上，可以消除干扰。
2）辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧，由高频电容器组成，可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成分，用于降低无线电噪声。
3）输出滤波器串联在变频器输出侧，由电感线圈组成，可以减小输出电流中的高次谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。注意输出滤波器到变频器和电机的接线尽量缩短，滤波器亦应尽量靠近变频器。
（4）改变变频器输入侧变压器次级的抽头。在梅山主井提升机中，谐波在交-交变频系统中容易产生谐振，因为变频器在稳定运行时可控硅等效于电容，而变频器输入侧变压器的次级线圈则是电感，这就构成了LC电路，当发生谐振时，谐振将放大谐波电流，很容易导致设备被烧毁。此外，谐波也造成变压器铁芯中的磁通量减少和变压器绕组中导线的集肤效应加大，就是最通常的铁损、铜损增加，必然造成变压器工作温度上升，形成恶性循环，降低效率。因此我们需要改变变频器输入侧变压器次级的抽头，从而改变电感的值，使构成的LC电路不形成谐振，从而有效的抑制谐波冲击的发生。
4结束语
矿井提升系统是矿山生产过程中危险性较大的设备，它是矿山生产过程中的需重点控制的危险源点，梅山2#主井交交变频器矢量控制技术较为复杂。本文只对控制系统中的部分危险因素和安全防护措施作了简单的介绍和研究，要想确保提升电控系统的安全稳定运行，除了系统本身的先进性和可靠性，日常的检查、检测和维护同样十分重要，我们还需要进行大量的工作实践与探索。
参考文献：
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