矿用综合保护器在用测试技术研究

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1、中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 课题来源及背景 1.1.1 我国能源结构以煤炭为主体 随着我国成为世界第二大经济体，能源需求也快速增长，一次能源生产总量 2010年达到 29.7 亿吨标准煤，连续五年位居世界第一。由于我国所处的发展阶段和国际产业分工格局，我国服务业发展滞后，能源密集型产业低水平过度发展、比重偏大，我国能源需求增长过快1，2。 现实情况不允许我国主要依靠外国解决能源需求。 从国际上看， 在今后一段时间内，发展中国家工业化和现代化进程加快，能源消费需求将不断增加，全球能源资源供给长期偏紧的矛盾将更加突出； 发达国家和能源输出国加强对资源的控制， 能源的战略属性、政治属性更

2、加凸显。 从国内看， 能源资源对外依存度快速攀升， 其中石油对外依存度 2011年达到 57%，且进口来源相对集中、进口通道受制于人、远洋自主运输能力不足，能源安全保障压力巨大。现实情况决定了我国能源发展必须坚持立足国内的基本原则3,4。 我国一次能源资源情况决定了在中短期内我国能源结构仍将以煤炭为主体。我国能源消费和生产结构中占第二、第三位的石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的7.7%和 7.1%，我国油气人均剩余可采储量仅为世界平均水平的 6%，石油年产量仅能维持在 2 亿吨左右，常规天然气新增产量仅能满足新增需求的 30%左右。煤炭人均可采储量虽然也不及世界人均水平， 仅为世界人均可

3、采储量的三分之二， 但煤储量绝对量丰富，截至 2010 年底，全国煤炭保有查明资源储量 13412 亿吨5,6。上世纪 50 年代，煤炭在中国一次能源消费结构中的比重为 90以上，60 年代以来，由于石油工业的发展，煤炭的比重总体呈下降趋势，1999 年降至 671。本世纪初，随着世界经济尤其是新兴经济体经济快速增长带来的能源需求迅猛增长，国际石油和天然气价格快速攀升，煤炭消费比重又有所回升，2011 年煤炭消费占我国一次能源消费的 684%，比世界平均水平高 42 个百分点7。IEA（International Energy Agency，国际能源署）按“参考情景”预测中国 2030 年一次

4、能源需求至少将翻一番，其中一半增长源于煤的需求。在可预见中北大学学位论文 2 未来，煤炭在能源结构中的基础地位不会改变。就短期而言，国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要和能源发展“十二五”规划预计，我国 2015 年能源消费总量将达 40 亿吨标煤， 2015 年煤炭生产能力将达到 41 吨， 煤炭消费占一次能源消费比重为 65%左右，煤炭生产能力年均增长 4.8%。 表 1.1 “十二五”时期能源发展主要目标 类别 指标 单位 2010 年 2015 年 年均增长 属性 能源消 费总量 一次能源消费总量 亿吨标准煤 32.5 40 4.3% 预期性 能源生产与供应 国内一次能源生产能力 亿

5、吨标准煤 29.7 36.6 4.3% 预期性 煤炭生产能力 亿吨 32.4 41 4.8% 预期性 1.1.2 煤矿安全生产关乎能源安全 我国煤炭工业整体生产力水平较低，煤矿安全生产成为影响保证能源安全因素之一。 美国 2004 至 2006 三年间百万吨死亡率是 0.027, 我国 2008 年煤矿的百万吨死亡率是 1.128，指标是美国的 30 倍到 50 倍。为此，国家相关部门在十一五期间采取了一系列措施来改善煤矿生产安全状况，基本建立了煤矿安全生产法律法规体系，逐步完善了煤矿安全生产经济政策，进一步加强了煤矿安全生产管理基础工作，煤矿安全生产形势持续稳定好转，百万吨死亡率 2010

6、年下降至 0.749。煤炭工业十二五规划：至 2015 年，煤矿事故死亡人数、重特大事故起数和百万吨死亡率在 2010 年基础上，进一步下降12.5%、15%和 28%以上。 1.1.3 机电设备定期测试是保证煤矿安全生产的重要手段 煤矿机电设备安全是煤矿安全生产的重要内容。20082012 年，煤矿机电运输事故起数和死亡人数总量占全国总量的 20%。大量瓦斯爆炸火源和火灾事故的着火原因与机电运输设备不完好甚至失爆有直接联系8。目前我国采煤机械化程度已达到 65%左右，到十二五末期我国煤矿采煤机械化程度预计达到 75%以上。随着采煤技术装备机械化、自动化、信息化程度的提高，机电设备使用量将越来

7、越多，对煤矿安全生产的影响也越中北大学学位论文 3 来越大，保证机电设备安全、完好，才能保证煤矿生产安全。煤炭工业十二五发展规划中提到：为提高煤矿安全生产水平，加强电缆电气设备维护是重点工作之一。 设备定期测试、维护与轮换是经实际经验证明了的保证煤矿安全生产的重要技术方法。在有关煤矿安全生产的相关规定如中华人民共和国安全生产法 、 中华人民共和国煤炭法 、中华人民共和国矿山安全法 、中华人民共和国矿山安全法实施条例 、煤矿安全规程 、 煤矿电气试验规程以及其它一些国家安全标准、行业安全标准和煤炭行业技术规范，都对煤矿（机电）设备定期轮换、测试、维护进行了规定。 矿用综合保护装置（以下简称矿用综

8、保）是服务井工矿井生产的包括井下供电设备（高压配电装置、移动变电站、低压馈电开关、 ）和井下用电设备（采煤、掘进、输送、提升、通风、排水、支护等设备的电控箱、电动机电磁启动器、煤电钻和井下照明及信号装置等）在内的各种电气设备所配用的继电保护装置，综合了先前由多种分立元件分别实现的多种电气保护功能，因此称为综保。由于一般插接安装在配用的电气设备内，现场常称之为插件。 矿用综保是煤矿机电设备的重要组成部分,是煤矿安全生产的重要保证9 。作为井下电气设备内的关键部件,综保具有过负荷保护、短路保护、过压欠压保护、三相不平衡（断相）保护、漏电保护、漏电闭锁保护、绝缘监视、风电和瓦斯的电闭锁保护、PT断线

9、保护等功能， 对煤矿井下电气设备的安全可靠运行、 故障测试和保护至关重要10-12。由于文献13、 14所述原因， 综保在使用中可靠性不高。 基于安全生产目的和历史教训，安全生产和煤炭行业主管部门规定：矿用综保需要定期进行在用测试检验15,16。 1.2 本课题研究的意义 1.2.1 我国与先进产煤国家矿用综保测试应用背景差别 在影响煤炭开采安全与开采效率的几个主要影响因素方面，我国与先进采煤国家存在较大差距17。 1）煤炭资源开采条件不同 中北大学学位论文 4 煤炭资源开采条件不同使得我国不能照搬先进采煤国家经验与技术装备。我国煤矿地质条件复杂，开采难度大，在埋藏深度、瓦斯含量、水害危险、煤

10、层厚度等方面与国外存在差别，其中开采深度超过 1000 米的矿井 39 对。由于我国目前不得不依靠煤炭资源的过度开发维护能源供应，一些开采条件不好的煤炭资源也在进行开采，这部分矿井面临与先进采煤国家大不相同的开采条件。煤矿开采条件不同使得我国不能照搬先进采煤国家现有经验，不能直接引进使用其现有采煤技术装备，必须根据国内煤炭开采条件自行摸索、开发适合的采煤装备。 2）煤炭开采机械化、自动化、信息化程度不同 我国煤炭工业总体上机械化、自动化、信息化程度落后于先进采煤国家，煤矿生产尚处在机械化、自动化、信息化进程中。我国煤炭工业总体采煤机械化程度仅为 65%左右（2010 年数据） ，装备现代化、管

11、理信息化煤矿产量仅占全国总产量的 58%。十二五末期预计全国煤矿采煤机械化程度达到 75%以上。而先进采煤国家机械化程度已达到100%。 3）采煤装备标准化程度不高 煤炭相关服务行业发展不成熟，自主创新能力不足。科技创新投入不足，自主创新基础薄弱，能源装备制造整体水平与国际先进水平相比仍有较大差距，关键核心技术和先进大型装备对外依赖程度较高，尚处在对国外技术、装备引进吸收阶段。提供煤炭相关设备、服务企业数量多但规模小，研发力量分散，技术原创研发能力低，存在着无序竞争现象，部分企业靠仿制他人产品生存，没有形成规模经营，给产品技术标准统一带来困难。 不能照搬国外经验，我国煤矿包括机电设备在内的现代

12、化装备尚处在应用探索中，使得我国目前煤矿机电设备标准化程度不高，煤炭相关服务行业发展不成熟加重了这一情况。煤矿装备利益攸关方（设计、制造、使用者）或是不能达到各方一致认同的科学合理、技术先进、经济最优的技术方案，或是仅能就总体达成框架方案而不能对细节进行统一要求，很多具体技术细节还不能实现标准化的统一要求。就矿用综保而言，不同厂家的具体实现方案各不相同，不仅不同功能电气设备配用不同型号综保，即使相同功能电气设备配用的综保， 不同厂家生产的型号也不相同， 或型号相同而功能、 接口型式、引脚数量、引脚排序有差别，甚至同一厂家不同批次的同一型号综保之间也有差别。 中北大学学位论文 5 4）煤矿管理能

13、力弱、职工素质不高 先进采煤国家煤炭开采过程高度机械化、自动化，采煤过程所需人员数量很少，尤其是井下现场人员很少，出现了无人井下采煤矿井，从业人员少而专业素质高。我国情况则相反，从业人员多而文化水平低，缺少岗位职业教育；目前我国装备水平差、管理能力弱、职工素质低、作业环境差的小煤矿数量仍占全国总数的 80%，这导致先进采煤装备无法使用或使用效能低。对矿用综保测试而言，煤矿电气工作人员专业素质低，使得我国矿用综保测试不能像地面电力系统那样依靠测试员的电气专业素质进行综保测试。 1.2.2 我国矿用综保在用测试面临的困难 1）缺乏矿用综保在用测试依据 按测试主体和测试目的，矿用综保测试可分为矿用综

14、保（设计）制造商测试（型式测试和出厂测试） 、矿用综保使用中的在用测试和安全监督、管理服务机构的第三方测试（包括国家监督抽查检验、行业统检、生产许可证检验、矿用产品安全标志检验、新产品检验、仲裁检验、委托检验等14） 。制造商测试有相应的统一国家标准、行业标准进行规定，第三方测试可以参照制造商测试标准进行。 综保用户在用测试无专门全国（行业）统一标准，依据各省级煤炭行政管理部门颁布的“煤矿在用设备及作业场所安全生产测试检验指导目录”或类似规定，这些指导目录最终测试依据仍然是相应的国家标准、行业标准。目前由于煤矿实验条件有限，不具有专门测试机构和制造商的测试装备、专业人员等测试条件，很难严格按照

15、相应标准执行，造成测试结果不确定度大、测试结果可靠性低。 2）综保种类、型号繁多、更新快 由于综保设计、制造标准化程度不高，不同厂家的具体实现方案各不相同，不仅不同功能电气设备配用不同型号综保，即使相同功能电气设备配用的综保，不同厂家生产的型号也不相同，或型号相同而功能、接口、引脚有差别，甚至同一厂家不同批次的同一型号综保之间也有差别，这其中既有改进设计的情况，也有市场排他竞争的原因。图1.2图 1.7 为部分型号矿用综合保护器图片。任何中型以上煤矿都至少有 10 种以上综保18，且随着计算机技术、测试技术的快速发展，随着新装备工程使用经验的积累与反中北大学学位论文 6 馈，采煤设备技术方案不

16、断更新，矿用综保型号也不断推出新产品，这种实际情况使得综保测试装备不能统一开发，必须结合煤矿综保具体使用情况进行定制开发。 原煤炭部在上世纪 90 年代曾组织过矿用综保“四统一”设计，即“1）统一的设计技术条件；2）统一的接线回路；3）统一的元件符号；4）统一的端子排编号” ，但其覆盖面并不大，且缺乏持续性。 图 1.2 GZHB-6B 型高压矿用综保 图 1.3 ZYK-11 低压馈电矿用综保 图 1.4 ABD8 矿用电动机综保 图 1.5 QBZ 矿用电磁启动器综保 图 1.6 ZBZ 矿用照明综保 图 1.7 QBZ 矿用欠压保护器 3）测试过程自动化程度要高、对测试者电气测试专业素质要求要低 测试人员缺乏继保测试专业知识，使得其在完成测试过程中只能进行一些简单操中北大学学位论文 7 作，不能依据其应有的专业知识进行独立操作，或是需要在提示下进行相关操作。这就要求矿用综保测试装置具有良好的人机交互能力，并尽可能提高测试过程