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矿用高压开关柜二次元件要如何选型

2025-07-20 11:04:00
来源:安徽正变电气科技有限公司-
在矿山电力系统中,高压开关柜是保障井下及地面供电安全的核心设备,而二次元件作为开关柜的 “神经中枢”,承担着控制、保护、监测与信号传输的关键功能。由于矿山环境具有高湿度(相对湿度常达 95% 以上)、高粉尘、潜在瓦斯与煤尘爆炸风险,且供电可靠性直接关系到生产安全与效率,二次元件的选型需满足远超普通工业场景的严苛要求。本文将从选型原则、核心元件选型要点、环境适配方案及标准合规性四个维度,系统阐述矿用高压开关柜二次元件的选型方法。
一、选型核心原则:安全优先,适配矿山特性
矿用高压开关柜(通常指 6kV-35kV 等级)的二次元件包括继电器、互感器、仪表、按钮、指示灯、接线端子等,其选型需遵循三大核心原则:
1. 防爆与防火安全性
矿山(尤其是井下)属于易燃易爆环境,二次元件必须满足防爆等级要求
  • 瓦斯矿井需选用 Ex dⅠ(隔爆型)或 Ex iaⅠ(本安型)元件,在故障状态下不产生足以引燃瓦斯的火花或高温;

  • 粉尘环境(如煤矿掘进面)需附加粉尘防爆认证(DIP A21 TA,T6),防止元件表面温度超过粉尘引燃点(通常≤135℃)。

例如,控制按钮需采用隔爆外壳,其接合面间隙≤0.2mm,长度≥25mm,满足 GB 3836.2-2010《爆炸性环境第 2 部分:由隔爆外壳 “d” 保护的设备》要求。
2. 环境耐受能力
矿山环境的高湿、腐蚀、振动对元件寿命影响,选型时需强化三类性能:
  • 耐湿热性:元件需通过 40℃、95% RH 条件下的 1000 小时湿热试验(GB/T 2423.4),绝缘电阻保持≥100MΩ;

  • 抗振动冲击:能承受 10-55Hz、加速度 10g 的正弦振动(符合 IEC 60068-2-6),避免继电器触点松动、仪表指针卡涩;

  • 防腐蚀:金属部件采用镀锌 + 喷漆双层防护,塑料部件选用耐候性材料(如 PA66+30% 玻纤),抵御井下硫化氢、二氧化碳等腐蚀性气体侵蚀。

3. 功能可靠性与冗余设计
矿山供电中断可能导致设备停运甚至人员被困,二次元件需具备高可靠性:
  • 关键元件冗余:保护回路的核心继电器(如过流继电器)采用 “一用一备” 双配置,单元件故障时保护功能不失效;

  • 宽电压适应:考虑到矿山电网电压波动大(±15%),二次回路电源模块需支持 AC/DC 85-265V 宽范围输入;

  • 长寿命设计:继电器机械寿命≥100 万次,接触器电寿命≥10 万次,满足矿山 “少维护、长周期” 的运行需求。

二、核心二次元件选型要点
矿用高压开关柜的二次元件按功能可分为保护类、控制类、监测类与连接类,各类元件的选型需针对性匹配矿山场景:
1. 保护类元件:快速响应,精准动作
保护类元件是防止电网故障扩大的核心,包括过流继电器、零序继电器、电压继电器等,选型要点如下:
  • 过流继电器

需适应矿山电机启动时的冲击电流(可达额定电流的 6-8 倍),选用带反时限特性的电磁式或电子式继电器。例如,GL-15 型感应式过流继电器,其动作电流可调范围 1-10A,返回系数≥0.85,能有效区分启动电流与故障过流;
电子式继电器(如 JGL-10 型)需具备抗电磁干扰能力(通过 IEC 61000-4-4 4kV 电快速瞬变脉冲群测试),避免误动作。
  • 零序继电器

用于检测接地故障(矿山电网中性点多采用经消弧线圈接地),选型时需满足:
  • 灵敏度≤50mA(零序电流),检测到微弱接地电流;

  • 带延时可调功能(0.1-5s),与消弧线圈的补偿动作配合,避免误跳闸。

  • 熔断器

二次回路保护用熔断器需选用快速熔断型(如 RT18-32 型),额定电流按回路电流的 1.5 倍选择(通常 6-10A),分断能力≥10kA,且外壳采用陶瓷材质(耐高温、防弧光)。
2. 控制类元件:操作可靠,防误动
控制类元件包括接触器、按钮、转换开关等,直接影响开关柜的操作安全性:
  • 接触器

用于断路器的分合闸控制,需选用直流操作型(AC 220V 或 DC 110V 线圈),避免交流线圈在振动环境下产生噪声与过热;
触点容量按控制回路电流的 2 倍选择(如分闸线圈电流 5A,则接触器触点额定电流≥10A),且触点镀银(厚度≥5μm)以提升抗腐蚀能力。
  • 控制按钮与转换开关

井下开关柜必须采用隔爆型按钮(如 BZA1-5/36-2 型),操作杆行程≥10mm,操作时的密封性;
转换开关(如 LW5-16 型)的触点对数需满足控制逻辑需求(通常至少 6 对),档位定位清晰,防误操作,在粉尘覆盖下仍能可靠切换。
3. 监测类元件:精准感知,抗干扰
监测类元件包括电流互感器、电压互感器、仪表与传感器,需在强电磁环境下保持测量精度:
  • 电流 / 电压互感器

二次侧额定值通常为 5A/100V,精度等级≥0.5 级(计量用)或 1 级(保护用);
电流互感器需具备饱和倍数≥10 倍的特性(如 LMZJ1-10 型),短路电流下仍能准确传变;
电压互感器采用浇注绝缘式(如 JDZJ-10 型),避免油浸式在井下的泄漏风险。
  • 仪表与传感器

电流表、电压表选用磁电式或数字式,数字仪表需带背光(适应井下昏暗环境),显示精度 ±0.5%;
温度传感器(监测开关柜内温度)采用隔爆型 Pt100,测温范围 - 50~150℃,误差≤±1℃,避免因柜内高温导致元件老化加速。
4. 连接与辅助类元件:稳定可靠,便于维护
连接类元件包括接线端子、端子排、电缆头等,是二次回路导通性的基础:
  • 接线端子

选用防松型端子(如 UK 5N 型),带压接框与标识牌,额定电压≥660V,额定电流≥10A,在振动环境下接触电阻≤1mΩ;
端子排间距≥10mm,便于井下潮湿环境下的绝缘维护,且采用阻燃材料(UL94 V0 级)。
  • 电缆头与套管

二次电缆入口需用隔爆型电缆密封接头(如 M20×1.5),密封件采用耐油丁腈橡胶, IP68 防护等级;
穿墙套管选用瓷质或环氧树脂材质,爬电距离≥25mm/kV(6kV 时≥150mm),抵御潮湿环境下的爬电风险。
三、环境的适配方案
不同矿山场景(如井下掘进面、井下中央变电所、地面选厂)的环境差异较大,二次元件选型需场景化调整:
1. 高瓦斯矿井井下开关柜
  • 二次元件必须取得煤矿安全标志(MA),禁止使用非防爆元件;

  • 优先选用本安型回路(如信号传输回路),其元件表面温度≤100℃(T6 级);

  • 继电器、仪表等避免使用玻璃外壳(防止破碎产生火花),改用金属隔爆外壳。

2. 粉尘与高湿环境(如井下采区)
  • 元件外壳增加防尘罩(如按钮加装橡胶防尘帽),定期维护时可快速拆卸清理;

  • 端子排、继电器触点等部位喷涂防潮绝缘漆(如丙烯酸清漆),降低凝露导致的短路风险;

  • 选用宽温型元件(工作温度 - 30~70℃),应对井下昼夜温差大的特点。

3. 地面高压开关柜(如矿山变电所)
  • 虽无防爆要求,但需强化防腐蚀(尤其沿海或盐碱地区矿山),元件选用 316 不锈钢材质;

  • 增加通风与除湿装置(如柜内安装小型除湿机),配合温湿度传感器联动控制,保持柜内湿度≤70%;

  • 二次回路可适当采用智能化元件(如智能保护装置),提升监测与通信功能。

四、标准合规性与选型验证
矿用高压开关柜的二次元件选型必须符合多项强制标准,选型后需通过严格验证:
1. 核心标准依据
  • 防爆性能:GB 3836.1-2010《爆炸性环境第 1 部分:设备通用要求》、AQ 1043-2007《煤矿井下电气设备防爆性能检查规范》;

  • 性能要求:MT/T 1097-2008《煤矿机电设备检修质量标准》、DL/T 404-2014《3.6kV~40.5kV 交流金属封闭开关设备》;

  • 环境试验:GB/T 2423《电工电子产品环境试验》系列标准(振动、冲击、湿热等)。

2. 选型验证方法
  • 防爆性能验证:隔爆元件需通过 1MPa 水压试验(持续 1min 无泄漏),本安元件需经火花点燃试验(确认在输出能量下不引燃瓦斯);

  • 功能测试:模拟矿山电网常见故障(如短路、接地),验证保护元件动作时间(过流保护应≤0.2s);

  • 寿命加速试验:对继电器、接触器等进行高温(70℃)、高湿(95% RH)下的加速老化试验,实际寿命≥5 年。

五、选型注意事项与常见误区
1. 避免过度追求 “高参数”
例如,井下开关柜的二次元件无需选用高精度(0.2 级)仪表,1 级精度已能满足监测需求,过度追求精度会增加成本且易受环境干扰。
2. 重视元件间的兼容性
保护继电器与互感器的特性需匹配(如互感器的准确限值系数需大于继电器的动作电流倍数),避免因特性不匹配导致保护误动或拒动。
3. 预留维护与扩容空间
端子排需预留 20% 的备用端子,仪表与传感器的安装位置便于井下维护(如高度 1.2-1.5m),且支持未来接入矿山综合自动化系统(预留 RS485 通信接口)。
结语
矿用高压开关柜二次元件的选型是矿山供电安全的关键环节,需在防爆安全、环境耐受、功能可靠三大原则基础上,结合具体矿山的瓦斯等级、湿度、粉尘等环境参数,针对性选择元件类型与规格。同时,需严格遵循煤矿安全标准,通过合规性验证与现场测试选型方案的可行性。
合理的二次元件选型不仅能降低设备故障率(目标:年故障次数≤1 次 / 台),还能减少井下维护工作量,为矿山的安全生产提供稳定的电力保障。在智能化矿山趋势下,二次元件还需逐步向本安化、数字化升级,为矿山电力系统的远程监控与智能决策奠定基础。


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