KBZ33馈电开关技术手册---改

1、淮南市华光矿山电子技术研究所KBZ33馈电开关技术特点、原理及作用本开关获得国家两项发明专利，三项实用新型专利，产品解决了大部分现有馈电的问题，详情下面分解：1、多相位短路保护技术：（已获得发明专利）其基本原理是用电压与电流、电流与电流检测相位角来判断短路状态，使供电系统长中短不同距离的短路故障全部保护。特点有三：（1）保护距离长。额定电流整点在1.2倍，使得井下再小的短路电流也大于此整定值，显然无论是近、中距离、还是远距离短路故障都能得到全程的双重保护。（2）保护灵敏度高。能消除弧光短路。因为弧光短路电流大大小于金属性短路电流。解决了普通开关金属性短路整定，对弧光短路不其作用的问题。 （3）

2、本开关无须加并电缆（校验短路保护灵敏度达不到时），无需设置终端装置均可实现远距离保护。2、本开关选用双零序选漏保护技术 (已获得发明专利)，目前现场使用的馈电开关选漏保护普遍有误动作和越级跳总开关的问题，本开关采用电源测和负荷侧零序电流方向比较的检测技术来判断漏电故障。3、自动复电功能（已获得国家实用新型专利），本开关自动复电功能，经过自动检测证实线路无短路和漏电故障，5秒之内自动复电，我们的自动复电有三道安全保障，程序有看门狗，电气闭锁和机械闭锁。4、本开关设有两个接线室（已获国家实用新型专利），维修开关时可以不用停上级电源。 5本开关设置壳外断路器插接（已获得国家实用新型专利），有三个好处

3、：（1）作本开关负荷接线室电源开关。（2）减少了空间空腔内带电部分，更安全。（3）修换断路器快捷由60分钟缩短到5分钟。【一】多相位短路保护原理及作用一短路保护部分一、前言煤矿井下电气事故最严重的是短路，强大的电流会烧毁设备，破坏绝缘，引起火灾，给安全和生产带来极大危害。目前井下使用的低压馈电开关在短路保护存在一定的不足，当供电线路发生短路故障时，不能可靠保护，常有的短路保护技术（电流检测、电压检测、功率因数与电流乘积的检测、负序电流检测）局限性分析如下：1、电流检测：短路电流和启动电流幅值差别不大，当供电距离较远时，可能会出现短路保护整定值满足不了灵敏度的要求的情况，此检测方式组成的短路保护

4、适用于中、近距离线路，而远距离发生的短路解决不了。2、电压检测：基于电压检测组成的短路保护，可以解决远距离短路保护的需求，但需要在供电末端装设隔爆终端装置，如果一个系统有几个支路都是长距离，则每个支路都要设置终端装置，增加了设备投资，先短路三相，后送电不起保护作用，有保护死区。3、功率因数与电流乘积的检测：基于这一方法组成的短路保护，虽然保护距离增长，但仍然会受到长度的限制，不能保护所有长距离供电电网中的短路故障。市场上出现的相敏短路保护技术，是功率因数与电流倍数的相与，而且电流倍数要求严格，实际不存在，在供电中间某段距离存在保护死区，国家检验单位不认可。4、负序电流检测：该方法只能用在二相短

5、路保护上，而且电源侧相序改变，原来检测的相序相位角都要变化，不能再正常运行，必须随着改变相序，才能保持负序电流检测的正常使用。而现场相序改变时有发生。显然基于该原理组成的短路保护，现场使用多有不变，并且保护不全。为避免上述现有技术所存在的不足，我们基于一种新思路研制成功新型短路保护技术，它具有可靠、不受距离限制，不须设置终端装置的优点，装有此技术的产品已在几个局得到广泛运用，并获得好评；这个技术的名称是短路多相位检测方法。二、短路多相位检测方法的优点及基本原理1、优点：短路整定为额定电流的1.2倍（电流检测为额定电流的47倍，功率因数与电流的乘积检测为额定电流的3.5 4倍），远、近、中供电距

6、离全程保护，并且不要设置终端装置。它具有以下特点： 与电流检测方法比较，保护距离全解决； 与电压检测比较，在实现短路保护时，不需要设置终端； 与功率因数和电流乘积检测比较，在实现短路保护时，不再受到保护距离的限制；2、基本原理：井下电网为三相电，所带负载为三相异步电机为对称感性负载，电压和电流之间，电流与电流之间相位角在正常状态和短路状态有所不同。二相短路时：二相电流相位角由120°变大，同相的电压和电流的相位角变小。用相位角鉴别电路区分短路状态和正常运行状态。两个鉴别级电路相与，当两个鉴别级电路输出高电位时，判为有短路发生，任何一个输出或二个输出同时为低电位时，即判为无短路发生。由

7、三相电压互感器和电流互感器分别获得各相电流和电压信号。由斯密特反相器IC1将电压和电流信号变为方波信号；异或门电路进行两相电流或对应相电流和电压方波信号进行相位角比较，由积分电路，将相位角转换为三角波电压，再由电压比较电路构成短路鉴别电路。额定电流鉴别电路IC5-3，其反相输入端为基准端，正向输入端为电流信号输入端，其输出端与短路信号钟输出电路或门电路相并联，以此作为与门电路，对短路信号进一步鉴别，凡是在额定电流以上的短路信号不箝位，反之箝位，见附图2三、试验1、模拟试验：用三相电压和三相电流互感器试验短路状态，其信号的波形和相位角：第一次试验（附图3）A、B相短路电压和电流之间相位角A相电压

8、导前电流19°B相电流导前电压27°C相电压导前电流9°电流和电流之间相位角A和B相180°B、C相短路与A、B相短路角度对应相同电流和电流之间相位角A、C相短路A、B相短路角度电流和电流之间相位角对应相同第二次试验A、B相短路A相电压导前电流15°20B相电流导前电压40°A相与B相180°B、C相短路B相电压导前20°C相电流导前电压40°B相与C相180°A、C相短路A相电压导前电流20°C相电流导前电压40°C相与A相180°说明：将短路两相相序对调，其两个

9、角度值也跟着对调，但只在两个相上，在角度鉴别电路上，两相是或门关系，只要有一个相符合短路状态的角度，就被认定为短路状态。二相短路之间的相序对调不影响短路状态检测。结论：（1）二相短路电流之间的相位角为180°，不带负载时，带负载不是电机而是一个10w三相电压互感器初级，所以在示波图中不是完全的180°，而是小于180°二相短路对应角电压与电流之间相位角总有一相相位角符合短路状态；（2）三相短路，每相的电压和电流之间相位角对称为0°20°相序对调时，相位角不变。此相位角在短路状态相位角范围之内。附：实验电路图1说明：两次试验用的电路图一样,但R值

10、和导线截面不同,测出的波形相位,略有差别,但主检测角度相差很小,在检测许可范围之内。2、地面试验将多相位短路保护装置装到KBZ3630A低压馈电开关中做短路保护使用，带一台132KW电机、660V电压，额定电流150A，启动电流970A。短路整定在400A档（应该整定在180-200A档，但630A馈电开关最小整定档为400A，故只能如此）。（1）电机启动试验：启动5次，每次电机静止后再启动。频繁启动5次，均未发生开关误跳闸。（2）短路试验：干变630KVA，电缆25mm2，50米，串接10 mm2电缆220米，经计算远端短路电流为500A。A、B、C分别短路三次，三相短路三次，都可靠动作。四

11、、实用设计供电线路发生短路时，电压和电流之间相位角，与负载电机运转与否有一定关系，电机运转时，感性阻抗也会使短路阻抗增加小部分电抗分量。由此，二相短路时，对应相电压与电流之间的相位角由020°展宽到032°，两相电流之间的相位角展宽到180°±30°。（理论依据及计算后面有）实例1：变压器500KVA、次级660V，系统电抗X00.0095，95平方电缆500米处短路6KV电缆参数：400米长度，R220.2352，X220.0312变压器参数：R10.0059 X10.0376 变压器总电阻RR22/K2R10.00872变压器总电抗XX0X

12、22/K2X10.0475电缆500米处短路，95mm2500米，R30.1235 X30.0375短路点附近总电阻为RR30.13225 总电抗XX30.085电压与电流相位角多相位检测相位角为0°32°，可见小于500米一定距离时短路状态也能被检测到。实例2：电缆截面70mm2，其他条件同实例1。二相短路电流与电流之间相位角180°±30°，全程保护，无死角。500米短路处，R40.173X40.036短路点附近的总电阻为RR40.260 总电抗XX40.0835电压与电流相位角tg10.3217.7°对应相电压与电流相位角检测，

13、小于100米处为起点以远的短路故障，全部检测到符合短路相位角的设定。从供电0米到500米，用多相位检测电路中的电流检测，能够完成显而易见。不必举例。0500米和小于500米以远这两段无保护死区。实例3：将实例2中电缆长度变为100米，70mm2，R50.0315 X50.0078短路点以近的总电阻RR50.1187 总电抗XX50.0553电压与电流相位角结论：电流与电流的相位角从近到远，都能检测到两相短路状态。同时，电压与电流的相位角，对两相和三相短路，其相位角的大小与变压器大小、电缆长短、粗细有关。电缆越长，相位角越小，对短路灵敏度越高；电缆越短，相位角越大，可以预测电缆长度为0时，相位角

14、更大。但本多相位电路内有近距离短路保护，保护距离最低为500米。相位角短路保护与近距离保护一起动作，含有双重保护。 二多相位检测技术的理论及计算一、两相短路电流之间相位角在三相对称电网中，两相短路分空载时两相间短路和有载时二相间短路。1、空载时两相短路：由于煤矿井下三相电网中心点不接地，发生两相短路时，中心点偏移，又加有一相电流为零，因此，发生短路的两相变为单相电路，单相电路的电流之间相位角显然是180°。如图1：2、负载时两相短路：其等效电路图如图2所示：短路发生在B、C两相间，其故障电流取决于短路电流和负载电流。由于负载电流叠加到短路电流上，其短路二相电流相位角不再是180

15、76;，而是介于180°±45°之间。B、C两相短路，其负载电流为：其三相电流的计算公式为：举例：有电机额定功率p=135KW，额定电压U=380V，COS=0.8，母线通过线路和变压器，由采区变电所供电，系统阻抗包括变压器在内，其图如下所示，图3 图3计算二相短路的全电流相位角。已知条件：系统阻抗包括变压器在内，折射到380V电压下为：以上述计算数据是在负载电机启动瞬间状态下：B相为119°，C相为85°B、C两相短路电流相位角2（119+85）=156°，在150°180°之间。二、二相短路和三相短路电压与对应

16、相电流的相位角当三相电网发生短路时，其电压与对应相电流相位角与电网阻抗中电阻R，电抗X的比值有关，正常电网回路由变压器、电缆和电动机组成，电网的总R和总X由三者叠加。由于变压器和电动机的阻抗X比R大，而电缆的R比X大，当发生短路时电网回路少了电动机的R和X值，变压器和电缆X、R的叠加，总X比例下降。根据电压与对应相电流的相位角 ，显然值减小。【二】双零序电流互感器选择性漏电保护的原理及作用 煤矿井下供电系统中，如图3所示，在支路低压馈电开关KF1、KF2、KF3、KF4中装有选择性漏电保护装置，该装置与系统总开关KZ内检漏器配套，实现纵向保护和横向保护。纵向保护用时间差实现，横向保护用功率方向

17、实现，达到某个支路有单相漏电故障，则该支路馈电开关跳闸，而其它非漏电的支路馈电不跳闸，起到选择性漏电保护的目的。避免一个支路漏电，影响其它非漏电支路的安全生产。井下电网由电缆组成，电缆对地分布电容过大对现有的选择性漏电保护形成影响，不起作用或误动作的现象时有发生。造成这一问题的原因在于已有技术中选择性漏电保护基于的检测原理是零序电压和零序电流组成的功率方向性，零序电压取自三相电抗器中心点对地高阻抗两端，随分布电容加大其零序电压大幅度下降，下降后的零序电压失去检测能力。近年来井下供电线路已换成屏蔽电缆，其分布电容比以前普通电缆更大，零序电压会进一步减小，进而失去检测能力。为避免上述技术所存在的不

18、足之处，研制出双零序电流选择性漏电保护，以消除电网分布电容过大所带来的影响。利用馈电开关KF负荷侧漏电支路和电源侧非漏电支路零序电流方向相反判定出漏电的被测三相支路。负荷侧被测三相支路A1、B1、C1，在同一馈电开关内电源侧设置电容C接地的参考三相支路A2、B2、C2；当被测三相支路A1、B1、C1和参考三相支路A2、B2、C2中的零序电流方向相反时，判定为被测三相支路A1、B1、C1有漏电故障。图1.为检测端结构示意图图2.为检测信号处理电路方框示意图参见图2，本实施例中设置检测信号处理电路，检测信号处理电路在被检测支路零序电流互感器LI2和参考支路零序电流互感器LI1检测的零序电流方向相反

19、是输出漏电控制信号。该开关用在哪里使用好？1、 用在变电洞室好。变电洞室内外主要常出故障的是选漏不好使，好顶总开关，影响面大，影响时间长，一直存在问题。本开关选漏保护是新发明的，经过现场使用，证明该新型保护能够克服上述问题。另外自动复电功能与选漏配套使用，可以实现变电洞室都能及时自动送电。遇到选漏不好使，遇到大面积停电人工送电来不及，再也不会出现影响面大，影响生产时间长的问题了。对生产、安全有好处，对职工罚款大大减少。2、 用于局扇供电系统作专用馈电开关。起到原来大肚子开关起到的及时送电作用，即电源来电能及时送电，但比大肚子开关安全。因为有短路和漏电检测闭锁。自从去除大肚子开关实行新式馈电后，

20、新式开关都有欠压保护，来电无人发现。有了自动复电，就克服了无人发现造成的问题了。而且该开关还有一个特点：短路保护能够躲开电机启动电流，多台开关启动不顶总开关。顾桥矿及张集矿等都在积极使用。3、 用在掘进工作供电系统及其他供电距离长的场所。本多相位短路保护距离长、中、短，都能保护。可以克服现有存在的能保长，不能保中；能保短，中，不能保长的问题。电流检测式，相敏检测式，终端检测式都存在这方面的问题。各矿都在使用多相位检测式。4、 使用在任何地方都好。双接线室和壳外分离壳内主电路插拔传动装置，能使不停上级电源，就无电（指负荷接线室），就使空腔内检修无危险。达到了进口产品的安全程度，检修安全，修换断路

21、器快捷，少影响生产，职工少受罚。正在顾桥矿、张集矿、谢桥等矿使用。【三】自动复电功能的原理及作用按照规程458条的规定，我们研制成功自动复电装置，在需要代替人工送电或者必须及时送电，或者电压闪动造成的大面积停电，以极短的时间将电送上，满足现场的安全和生产的要求。自动复电装置设置短路检测电路，以载频信号发生器发出载频信号；设置故障电压检测互感器，通过继电器触点J3、J4、J5接通负荷网路获得短路检测信号；所述电压检测互感器的次级经直流滤波去鉴别电路，再经继电器J6接入馈电开关及送电终端电路。设置程序控制电路，是以单片机V1的输入接口分别连接故障信号电路、合闸信号电路和负荷侧带电信号电路，单片机V

22、1的输出接口PO.1、PO.3分别连接自动送电控制电路和短路予检测控制电路。所述程序控制电路的工作流程：单片机内设从无电到有电，程序控制才开始工作，否则程序控制不工作；短路检测电路预检测之前，若有故障信号、合闸信号或负荷侧带电信号的任一情况，程序控制电路不工作；设置在电源来电后，程序控制延时1秒开始工作，首先负荷网路预检测，在所述预检测期间，程序控制电路阻值送电；预检测持续结束后，预检测开断负荷电网，程序控制电路延时1秒发出自动送电的指令。短路检测电路中的载频信号发生器由集成芯片555及外围电阻电容及三级管放大器组成。效果体现在：克服由于电压大闪动造成的大面积停电，人工送电不及时减少了瓦斯超限

23、或积聚的次数。井下低压供电线路示意图如图1所示。图2为自动复电原理方框图，单片机V1是程序控制的核心，输入口分别为短路予检测前，出现的各种故障信号，如合闸、负荷电网带电、或者其他故障等。闭锁电路只有短路予检测控制电路工作时，才允许检测放大继电器J6的触点J6-1闭合。J6-2闭合使保护箱接收故障信号。自动复电终端电路由手动、自动转换开关K，手动按钮AN，断路器线包H，短路予检测闭锁触点J6-1，短路予检测控制电路触点J1-1组成。只有J1-1和J6-1都合时，H才可能得电。J3、J4、J5吸合条件是断路器断电，及其辅助触点ZKF1闭合和程序控制工作前检测都无故障时，自动复电中的继电器J2触点J

24、2-1闭合，才能自动复电。程控电路混乱时，闭锁电路中二极管V16箝位，同时，自动复电工作时，予检测电路也被箝位，不会发生复电和予检测同时进行的错误。程控电路，在予检测后，无论检测到故障与否，5秒后结束这次来电后送电程序全过程，只有下次电源又来时程序在开始进行一次全过程，又停止。举例1.来电后自动送电。单片机V1查看输入接口是否有信号，故障信号、合闸信号和负荷电网无信号。这时V1开始工作，先短路予检测，单片机PO3输出电位由高变低，J2吸合，J2-1触点闭合，J3、J4、J5继电器吸合，其触点J3-1、J4-1、J5-1接通负荷电网，载频信号进入检测，漏电闭锁显而易见，电路没有画出。单片机内部继

25、续走程序，持续1秒，如无故障，PO.3电位变高，J2-1断开，经1秒延时，PO.1电位由高变低，J1吸合，断路器线包H得电吸合，自动送电。距离2.负荷电网有短路故障，开关不会自动复电。当电源来电时，单片机经过前面几个程序后，开始进行短路予检测，发现有短路故障，两个电压互感器有的电压大降，故障鉴别电路输出高电位，J6吸合，其触点J6-1断开（图2），断路器线包不能吸合，同时闭锁电路1中的V16箝位，J1-1分断，不会送电。举例3.只要电源有电，负荷侧有故障或人为停电，不会自动复电。当馈电开关电源侧有电，因某种原因，本台开关断路器断开，单片机设置程序时，第一步程序是电源从无电到有电，单片机才进行第

26、二步程序，而电源一直有电，不符合程序要求，这时单片机不工作。举例4.当单片机程控混乱时，不会自动复电。假设单片机程控电路混乱时，可能出现J1和J2同时吸合。因为有闭锁电路1中V16箝位，J2吸合时，J1必然不吸合。同时单片机有看门狗，会纠错。举例5.当短路予检测测到短路故障持续1秒时，单片机设置程序要将短路予检测退出，即J3、J4、J5释放，其触点断开负荷电网后，这时，PO.3电位由低变高，这时，J6不吸合，J6-1断开H回路。同时J6-2使保护箱输出故障状态重新闭锁，这两种情况都不会自动复电。【四】具有两个接线腔原理及作用一为什么设置双接线室煤矿井下电气设备接线室都是要求开盖前必须停电，严禁

27、带电作业。因为接线室带电操作已经引发了多起重特大瓦斯爆炸事故和人员伤亡。举例如下： 2009年2月22日山西焦煤集团西山煤电公司屯兰矿发生一起爆炸事故。事故原因：电气设备接线腔放电发生火焰， 引起瓦斯爆炸事故74人死亡。 2003年5月13日安徽淮北庐岭煤矿发生瓦斯爆炸事故。事故原因：工人在拆卸电磁启动器时，打开了接线室盖板，在处理过程中，炸及矸石落入接线室内，造成带电端子短路产生火花，引起瓦斯爆炸，造成86人死亡，9人重伤，19人轻伤。 2003年8月14日，山西阳泉煤业集团三矿裕公井瓦斯爆炸，28名矿工遇难，直接原因：工人带电检修接线室产生短路火花，引起爆炸。 2005年2月14日，辽宁省

28、阜新矿业集团孙家湾矿海州立井发生一起特别重大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡，30人受伤，直接经济损失4968.9万元。事故直接原因：2人违章带电检修临时配电信号综保装置，产生电火花引起瓦斯爆炸。 2003年8月1日，陕西省襄垣县石峪煤矿，水泵司机杨某在未进行停电、验电，放电的情况下，擅自打开开关接线室，处理压线触电身亡。 2003年7月13日，山西省襄垣县上河煤矿，井底车场绞车在运行中出现故障，当班副班长李某打开绞车开关进行处理，发现防爆腔内一根引线在面板的接线柱烧断。李某在打开防爆盖时，未执行停电、验电、放电制度，操作过程开关晃动，开关外壳与引线接触带电，其身体与开关外壳接触后，触电身亡。

29、从以上案例不难看出，大都是带电作业造成，为什么要带电作业呢？除了操作者本身素质不高外，主要原因有以下两点：一是上级开关距检修开关距离太远停电不方便。二是上级开关带负荷多，停电影响面积大。现井下低压开关大都为一个接线室，而检修开关以负荷侧与开关内部为多。如果把开关设置为电源与负荷相互独立的两个接线室，使开关电源就是负荷的上级电源则可使检修开关既方便做到无电检修，又不影响同支路其它负荷，这样就大大减少了带电检修的现象。 华光电子研究所就是基于这个想法，把馈电开关设计为电源、负荷相互独立的两个接线室，并具有壳外拨动分合断路器的功能（壳外拨动断路器与电源、负荷接线柱彻底分离），这样既使真空管粘连，也可使负荷侧绝对无电，使检修操作既安全又方便。二双接线室原理及作用现有技术中的煤矿井下低压隔爆馈电开关结构形式如图1所示，是在同一个接线腔4内共同设置电源输入端子1、电源输出端子2和控制接线端子5，在接线腔4的顶部设置防爆盖3，用于防护人身安全，这种结构形式在实际使用中存在的问题