人为接地实现开盖断电方法存在重大隐患浅析

人为接地实现开盖断电方法存在重大隐患浅析

                          郭春平^*

          （山西全安新技术开发有限公司，山西太原030006）

 

摘 要：人为接地实现开盖断电已存在于我国部分矿用开关，但在“开盖断电过渡过程” 及“动作失灵”状态下，会产生接地过电压，在开盖断电时能产生大于30ma安全电流的接地过电流，是重大隐患。一些开关是在松动盖板后（即“失爆”后）才断电。本文提出了以矿用本安型开盖传感器（三开一防传感器）为核心元件，与安全监控系统共同组成系统来实现开盖断电的方法。

关键词：人为接地；三开一防；开盖传感器；开盖断电；过电压；过电流

 

在高低压开关、电动机、变压器、电缆接线盒等电气设备用螺栓紧固的接线腔（盒）盖板上实现“三开一防”（即开盖报警、或开盖断电、或开盖闭锁及防止非专职人员擅自开盖操作）”，尤其是实现开盖断电，是发明隔爆设备百年来，各国煤矿技术人员渴望实现的目标。目前，人为接地实现开盖断电在一些开关上得到了应用，但在井下应用的还不多，如果大量在井下应用，其存在的重大隐患决不可等闲视之，分析如下：

一、    人为接地实现开盖断电方法简介

打开矿用隔爆型分级闭锁真空电磁起动器接线腔盖板、移动变电站开关等电气设备盖板时，即可切断上级电源，其基本原理如图1所示。

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* 通讯联系人：郭春平（1959-），男，教授级高级工程师，山西全安新技术开发有限公司董事长，Tel: 13513549806, Fax: 0351-5600641, e-mail: [email protected]

 

                   

41—电源开关   42—脱扣继电器线圈   43-三相电抗器及零序电抗器   44—负荷等效电感   45—磁力起动器   J—检漏继电器  E—直流电源  Rg—开盖动作电阻  K—开盖动作开关  C—分布电容  Rj—绝缘电阻

 

图1 人为接地实现开盖断电原理示意图

在图1中，打开磁力启动器45的接线腔盖板时，开盖动作开关K闭合，开盖动作电阻Rg接入动力系统，检漏继电器J动作，脱扣继电器线圈42得电，电源开关41可靠断电，实现开盖断电。

二、在“开盖断电过渡过程” 、“动作失灵”状态下，人为接地实现开盖断电时能产生接地过电压，造成绝缘击穿，甚至引发瓦斯煤尘爆炸

在图1中，开盖时，在这一“开盖断电过渡过程”中（包括：盖板松动、开盖动作开关K闭合，开盖动作电阻Rg接入动力系统，检漏继电器J动作，脱扣继电器线圈42得电动作，电源开关41动作可靠熄弧断电），或在检漏继电器J、电源开关41等装备因故障“动作失灵”状态下，都相当于1140（660）V动力系统“强送电”到“故障点”（即：开盖动作电阻Rg接入的开关），都会出现很高过电压，一般达（1.1～4）U_φM^①(U_Φm相电压幅值)，1140V系统最高可达4× × =3909V。过电压种类及产生原理如下：

⑴、在向“故障点”“强送电”时，如果“故障点”的开盖动作电阻Rg由于某种原因（如烧坏、开关淋水、引线接错等）造成短路，使一相与地线之间断续接触，往往产生单相接地过电压及电弧接地过电压，可达3 U_φM^②，1140V系统可达3× × =2932V。原理如下：

在图1中，若开盖动作电阻Rg接入A相并成为 “强送电” 的“故障点”，则发生单相接地故障，零序电流在线路阻抗上产生压降而使健全相对地电压升高，过电压值与系统的零序阻抗及故障点的接地电阻有关，一般为（1.1～1.3）U_φM^③。

若A相“故障点”的开盖动作电阻Rg由于某种原因（如烧坏、开关淋水、引线接错等）发生单相电弧接地故障，先不考虑线路经电抗器接地，将图1简化为图2a、2b（假设R_J=∞未画出）

 

 

图2 电弧接地原理示意图

     从图2 中可知，流过故障点的电流是另外两相的对地电容电流；由于电流值一般很小，往往不能形成稳定电弧。故障相（如A相）的电压在最大时（如正峰值U_φM）发弧，B和C相的对地电压要从-0.5 U_φM突变到-1.5 U_φM；在过渡过程中，有变压器和线路的电感与线路电容形成的高频振荡电流过故障点；若B和C相的对地电压变到-1.5 U_φM时，高频振荡电流恰好第一次过零而使故障点电弧熄灭，则三相导线上的电荷将重新分布而使整个三相系统获得一个负直流电压；半个工频周期后，A相电压为-U_φM与负直流电压之和，若故障点再次发生电弧接地，则产生与前述相似的过程；由于系统中留存上次负电荷，高频振荡电流加大，于是这一次可以使整个系统获得更高的正电流电压。这样，电弧时熄时燃，由于系统内电磁能积聚，在故障相和健全相都可能出现很高的过电压。^④

若考虑图1中电抗器接地且不处于最佳补偿状态，R_J≠∞，则过电压值可达3U_φM^⑤。

在图1中，“开盖断电过渡过程”时间约在0.2～0.5秒之间。在这么长的“开盖断电过渡过程”中，完全能发生电磁振荡，产生过电压。不要说检漏继电器因故拒绝动作，就是正常动作也会在“开盖断电过渡过程”中产生过电压。

⑵、如果上级馈电开关没有漏电闭锁，如使用JY—82等检漏继电器检漏断电，开盖后虽然断电，但工人可违章多次“强送电”，多次“强送电”,就会多次闭合三相触头不同时接触的馈电开关，会产生谐振过电压，其幅值最高可达6.7U_φ，实际中可能达（4～5）U_φ （U_φ相电压）^⑥原理略 。

⑶、多次强送电，必然多次断电，这就可能产生开断感性负荷过电压，最高可达4 U_φ^⑦。原理略。

⑷给接地故障点强送电产生过电压造成短路的事故案例

表1是我们收集的由于给接地故障点强送电造成检漏继电器爆炸事故案例的调查表，虽然不是开关事故案例，但教训是很值得借鉴的。

表1  原汾西矿务局某矿检漏继电器爆炸情况调查表

 

   

照片1  有放电痕迹的660V接线柱

 

     

照片2  有放电痕迹的660V接线柱绝缘盖板 

照片3  有放电痕迹的检漏继电器隔爆外壳转盖

三、由于“同时性”问题，人为接地实现开盖断电时能产生大于30ma安全电流的接地过电流，造成人身触电，甚至引发瓦斯煤尘爆炸

如图3所示，人为接地实现开盖断电的开关如果大量在井下应用，完全有可能同时打开两个以上开关接线腔盖板，在“开盖断电过渡过程”中，出现的“同时性”问题决不能忽视。如果两台开关开盖断电电阻Rg同接在C相上，相当于两个Rg并联接入C相，此时如果有人触摸到A、B某一相，或电缆损坏或电气设备淋水，使A、B某一相与地线之间接触，则电流超过人体或故障点的电流可远大于30ma安全电流，如果装备因故障动作失灵，将发生触电事故，或点燃瓦斯煤尘。即使装备没有动作失灵，“开盖断电过渡过程”中，也大大增加了故障点的危险性。

不用对称分量法，简单计算如下：

对于660V系统，Rg1=Rg2=11kΩ，取人体电阻Rr=1kΩ，流过人体电流Ir=660/(Rg1/2+1)=102mA。

 

图3 同时打开两台开关电路示意图

四、某些开关，人为接地实现开盖断电时已“失爆”，有可能从上下盖板间隙之间喷出火焰，而引发瓦斯煤尘爆炸。

 

1—接线腔壳体、2—带凸块（5）的接线腔盖板、3--导向套管、4--弹簧、6—盖板紧固螺栓、7--螺母、8--垫片、9--导向管、10--闭锁杆、11—连接片、12--开盖动作开关、13--位移开关按钮杆、14--闭锁杆压块压动。

 

图4 某些开关人为接地实现开盖断电机械示意图

在图4中，松开盖板紧固螺栓（6）后，才能进行开盖断电动作，而这时盖板（2）与接线腔壳体（1）之间的隔爆间隙已超过规定值，已经“失爆”， 可能喷出火焰，而引发瓦斯煤尘爆炸。《煤矿安全规程》445条：“井下不得带电检修、搬迁电气设备、电缆和电线，检修或搬迁前，必须切断电源，检查瓦斯，在其巷道风流瓦斯浓度低于1.0%时，再用与电源电压相适应的验电笔检验；检验无电后，方可进行导体对地放电”。 松动紧固螺栓（6）时，如果开关还带电，显然是违章作业，如果是停了电，必须先检查瓦斯，再松动盖板紧固螺栓（6），再验电、放电。松动盖板紧固螺栓（6）后，其电源开关已断电，即使检漏继电器没有失灵，也不存在断电问题。那就是说，该设备只能作为违章带电开盖造成失爆后的一种防止带电作业的后备保护，该设备不能预防带电开盖造成失爆引发瓦斯煤尘爆炸。

 

五、实现开盖断电的有效方法

人为接地实现开盖断电既然存在上述隐患，如何实现开盖断电？建议用以矿用本安型开盖传感器（三开一防传感器）为核心元件，与安全监控系统共同组成的系统实现开盖断电，原理及功能如下图示：

 

    图5  矿用本安型开盖传感器（三开一防传感器）实现开盖断电示意图

 

     图5中的监控系统还可以是电力监控系统、开关起动控制回路，传感器接点接入电力监控系统的保护装置或开关起动控制回路，也能实现“三开一防”功能，但注意：矿用本安型开盖传感器（三开一防传感器）只能接入本安回路，要接入非本安回路，须要用非本安型开盖传感器（三开一防传感器）。

超前开盖报警

见图5，取下开盖传感器时，紧固螺栓还没有松动，即还没有“失爆”，螺栓套离开继电器，常闭接点闭合，触动继电器连通声光报警装置，发出声光报警信号，提示“严禁带电作业、停电、测瓦斯浓度、验电、放电”，达到“超前开盖报警”目的；

超前开盖断电

见图5，超前开盖报警的同时，与电磁起动器上的开盖传感器连通的矿井监控系统检测到开盖信号，给自动馈电开关发出断电指令，自动馈电开关动作，切断电磁起动器电源，实现“超前开盖断电”；

开盖闭锁

见图5，开盖断电后，打开电磁起动器盖板作业，这时，监控系统给自动馈电开关送出一个“闭锁”信号，使得即使有人误操作自动馈电开关启动按钮，也送不出电，确保安全作业，实现“开盖闭锁”。

防止非专职人员擅自开盖操作

非专职人员由于没有锁钥，所以不能有效操作螺栓转动。

比较上述两种方法，不难看出，用矿用本安型开盖传感器（“三开一防”传感器）实现开盖断电方法与人为接地实现开盖断电方法的优劣，用“三开一防”传感器实现开盖断电方法不会产生过电压、过电流、失爆后再断电问题，不仅有“三开一防”功能及安全方面的优点，还有不需要更换现有电气设备，就可以应用在所有具有螺栓紧固盖板的电气设备上的优点。

为解决山西省煤矿所存在的用螺栓紧固的电气设备接线腔（盒）盖板缺少安全保护的问题，山西煤炭工业厅2009年下发的《煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法》明确规定：“用螺栓紧固的电气设备接线腔（盒）盖板上应实现“三开一防”（即开盖报警、或开盖断电、或开盖闭锁及防止非专职人员擅自开盖操作）”，从而从装备上消除了这一重大安全隐患。

注：①、请参看《电机工程手册1、第3篇、第1章》

    ②、请参看《矿井电网的漏电保护》123页

    ③、同1

    ④、同1

    ⑤、同2

    ⑥、产生谐振过电压的理论分析请参看《矿井电网漏电保护，第三章，第三节》（胡天禄著）

    ⑦、同1

   

  

作者简介：郭春平（1959-），性别：男，籍贯：山西平遥，职称：正高工，毕业时间及院校：1989年毕业于北京煤矿管理干部学院，现工作单位及现任职务：山西全安新技术开发有限公司，担任董事长兼总经理，所从事专业：煤矿安全专业，研究方向：预防煤矿瓦斯爆炸的安全技术、循环经济技术、再制造技术的研究，发表论著情况：在《中国煤炭工业》杂志发表《开关无“两防”=失爆》、在《煤矿安全》杂志发表《推广安全科技产品需要监管部门安全干预》、在《煤矿机械》杂志发表《再制造隔爆外壳方法》、在《煤矿现代化》杂志发表《移动变电站及电缆电压损失计算表》、在《科技日报》发表《抗违章技术创新方法研究》，以及其他国内煤炭行业权威杂志等共发表16篇文章，其传略被收入《世界名人》等60多部辞书。