剩余電流保護(hù)器在地下金屬礦山的應(yīng)用

衡 旭 馬萬里

(1.安徽華騏環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

剩余電流保護(hù)器在地下金屬礦山的應(yīng)用

衡 旭1馬萬里2，3，4

(1.安徽華騏環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

剩余電流保護(hù)器在國內(nèi)外電氣設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其對漏電電流高靈敏度的特性對于預(yù)防觸電事故有著明顯的效果。金屬礦山井下配電系統(tǒng)屬于IT系統(tǒng)，即中性點不接地系統(tǒng)，且不引出零線，對于這樣的系統(tǒng)環(huán)境，要求井下電氣設(shè)備的絕緣等級比其他系統(tǒng)更加嚴(yán)格。而地下金屬礦山環(huán)境多潮濕，配電系統(tǒng)絕緣耐久性比較差，會大大增加觸電事故發(fā)生的可能性。將剩余電流保護(hù)器應(yīng)用于金屬礦山井下配電系統(tǒng)，作為絕緣下降后的防觸電的有效保護(hù)，分析了剩余電流保護(hù)器的工作原理及適用性，從而給出絕緣監(jiān)測器安裝在采區(qū)變進(jìn)線柜、剩余電流保護(hù)器安裝現(xiàn)場動力柜內(nèi)配置的合理化方案，有力保證了井下電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

地下金屬礦山 IT系統(tǒng) 剩余電流保護(hù)器 現(xiàn)場動力柜

在礦山井下電氣系統(tǒng)中，剩余電流保護(hù)器(簡稱RCD)并不像在民用電氣那樣得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)規(guī)范對于IT系統(tǒng)使用剩余電流保護(hù)器的說明較為含糊，過流保護(hù)裝置和剩余電流保護(hù)器選其一即可。現(xiàn)實運用中，普通帶熱脫扣器的斷路器即可實現(xiàn)過流保護(hù)。因此，金屬礦山相關(guān)設(shè)計單位對于井下配電回路多數(shù)采用斷路器進(jìn)行過流及短路保護(hù)，RCD基本上忽略不用。鑒于此，將通過對RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用并結(jié)合井下配電系統(tǒng)的實際情況進(jìn)行分析，給出RCD在金屬礦山配電系統(tǒng)中應(yīng)用的合理化方案，為地下金屬礦山配電系統(tǒng)提供有效保護(hù)。

1 RCD工作原理

RCD主要由檢測環(huán)節(jié)(零序電流互感器)、中間環(huán)節(jié)( 包括放大器、比較器、脫扣器等) 、執(zhí)行環(huán)節(jié)( 主開)以及試驗環(huán)節(jié)等部分組成。以三相四線制系統(tǒng)(TN-C系統(tǒng))為例，RCD工作原理見圖1。

圖1 三相四線制的RCD工作原理

在系統(tǒng)正常工作條件下，由基爾霍夫定律可知，TA一次側(cè)電流向量和為零，即

IL1+IL2+IL3+IN=0 ，

(1)

從而使得TA二次側(cè)無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，RCD不動作，系統(tǒng)正常供電。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生漏電或者有工作人員觸電時，由于故障電流的存在, 通過TA一次側(cè)各相電流的相量和不再等于零,產(chǎn)生了漏電電流IK,即

IL1+IL2+IL3+IN=IK，

(2)

由于一次側(cè)存在漏電電流IK，經(jīng)過線圈反饋使得二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,作為動作信號經(jīng)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行分析, 當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時, 使主開關(guān)分勵脫扣器線圈(TL)通電, 驅(qū)動主開關(guān)(GF)自動跳閘, 切斷故障回路，實現(xiàn)保護(hù)的目的[1]。此原理同樣適用于IT及TT系統(tǒng)。

2 RCD的適用性分析

依據(jù)《剩余電流保護(hù)裝置安裝與運行》(GB 13955—2005)4.2.2條，剩余電流保護(hù)裝置用于間接接觸電擊事故防護(hù)時，應(yīng)正確與系統(tǒng)的接地形式相配合。該規(guī)范同時列舉了RCD在TN和TT系統(tǒng)下的注意事項，但未提及IT系統(tǒng)。而在《礦山電力設(shè)計規(guī)范》(GB50070—2009)(4.2.9條)中提到，發(fā)生外露導(dǎo)體部分對地單一接地故障且接觸電壓不超過36 V時，由絕緣監(jiān)視裝置發(fā)出警告而不切斷故障回路電源；而發(fā)生二次異相接地故障時，由過流保護(hù)裝置或剩余電流保護(hù)器切斷故障回路。與RCD廣泛使用的TN、TT系統(tǒng)不同，該規(guī)范將礦山井下IT系統(tǒng)的觸電保護(hù)等級分為2級，可簡稱為監(jiān)控級和跳閘級，而擁有熱脫扣器的斷路器即可實現(xiàn)過流保護(hù)，規(guī)范中提及的剩余電流保護(hù)器切斷故障回路就顯得比較多余。

IT系統(tǒng)在電源端不做系統(tǒng)接地。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生第一次接地故障時,故障電流沒有直接返回電源的通路，只能通過另外2個非故障相導(dǎo)體對地的電容返回電源[2]。由于容抗極大，所以電容電流極小，不會引起電擊危險，只報警而不切斷電源，供電不間斷，保證重要設(shè)備的持續(xù)供電[2]。這也符合礦山井下實際運行情況，如井下水泵及通風(fēng)風(fēng)機等一類負(fù)荷是不允許停電的，即在排查故障前允許礦山“帶傷”運行。而同樣發(fā)生一次接地故障，對于TN和TT系統(tǒng)危害性是不言而喻的。根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(GB 50054—2011)5.2.9條，TN系統(tǒng)下固定式設(shè)備的配電線路切斷時間不得超過5 s，而移動式設(shè)備最高不得超過0.4 s。這也是高靈敏度RCD在TN、TT系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的原因。

由上述可知，如果在礦山井下IT系統(tǒng)中裝設(shè)RCD，其目的和應(yīng)用與TN、TT系統(tǒng)不同。根據(jù)IT系統(tǒng)觸電保護(hù)等級，推測RCD應(yīng)該作用于跳閘級，即發(fā)生第二次接地故障轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚅g短路時切斷故障。RCD應(yīng)作為過流保護(hù)的必要補充而存在。礦山井下IT系統(tǒng)觸電接地故障系統(tǒng)見圖2。

圖2 礦山井下IT系統(tǒng)觸電接地故障示意

由圖2可以看出，根據(jù)RCD的工作原理，只有在上述2種狀態(tài)下RCD才具有動作可能性，而圖2(a)對應(yīng)的是井下IT系統(tǒng)監(jiān)控級狀態(tài)，圖2(b)對應(yīng)的恰好為跳閘級狀態(tài)。根據(jù)《礦山電力設(shè)計規(guī)范》(GB 50070—20091)，RCD的輔助作用可理解為監(jiān)控級向跳閘級轉(zhuǎn)換過程中的過流保護(hù)輔助裝置，而其整定值需要高于監(jiān)控級的泄露電流Id而小于人體安全接觸電流30 mA。如圖3所示[3]，監(jiān)控級接觸故障阻抗主要是非故障相回路導(dǎo)體與地間的容抗XC和外露導(dǎo)電部分保護(hù)接地的電阻RA,但XC?RA,得出監(jiān)控級狀態(tài)下的接地故障電流Id：

單相交流回路時，

Id=2πfUC,

(3)

三相交流回路時，

(4)

式中，C為非故障帶電導(dǎo)體對地電容，F(xiàn)；U表示單相為回路標(biāo)稱電壓，三相為相間標(biāo)稱電壓，V；f為系統(tǒng)標(biāo)稱頻率，Hz。

3 RCD的應(yīng)用

金屬礦山井下配電系統(tǒng)作為IT系統(tǒng)眾多應(yīng)用場所之一，也有自己的特點，比如井下現(xiàn)場動力柜到采礦點的采掘設(shè)備終端的供電距離較長，變壓器中性點零線不得引出，且井下存在著由主接地極和各輔助接地極通過PE線連接的接地網(wǎng)。井下接地網(wǎng)具體布置見圖4。

圖3 監(jiān)控級故障電流示意

圖4 井下接地網(wǎng)布置

1—主井水倉主接地極；2—接地干線；3—采區(qū)變局部接地極；4—動力柜局部接地極；5—電纜接線盒局部接地極；6—鎧裝電纜外皮與接地網(wǎng)連接；7—橡套電纜PE芯線；8—高壓開關(guān)柜；9—采區(qū)變壓器；10—低壓配電柜；11—照明變壓器；12—動力柜；13—機旁操作箱；14—電耙電機；15—局扇電機

由圖4可以看出，金屬礦山井下配電系統(tǒng)配電順序可以分為中央變、采區(qū)變、現(xiàn)場動力柜、采掘設(shè)備終端4個等級，下一級由上一級提供保護(hù)。中央變、采區(qū)變及現(xiàn)場動力柜一線均有接地干線連接，且均有獨立的接地極接地，從而組成了井下接地網(wǎng)。當(dāng)井下配電系統(tǒng)出現(xiàn)跳閘級故障時，故障電流通過連通的PE接地網(wǎng)導(dǎo)通，故障回路阻抗很低，短時間內(nèi)足以觸發(fā)過電流保護(hù)裝置動作，進(jìn)行跳閘。因而，這三級使用RCD輔助作用不大。

如果供電距離較長且沒有共同的PE線組成接地網(wǎng)，即終端設(shè)備接地極和現(xiàn)場動力柜接地極沒有PE線連接，從而沒有構(gòu)成等電位連接，故障電流流經(jīng)大地時相當(dāng)于經(jīng)過了具備一定阻值的電阻，供電距離較長也會導(dǎo)致阻值偏大，這樣的故障電流幅值遠(yuǎn)小于普通的相間短路電流，過流保護(hù)裝置很難動作跳閘，在這種情況下就需要在每個回路上加裝RCD來實現(xiàn)保護(hù)。

由于工作人員頻繁與采掘設(shè)備終端或其操作箱接觸，因此，現(xiàn)場動力柜—采掘設(shè)備終端一級無需在現(xiàn)場動力柜內(nèi)安裝絕緣監(jiān)測器。絕緣監(jiān)測器只需安裝在采區(qū)變進(jìn)線柜內(nèi)即可實現(xiàn)采區(qū)變—現(xiàn)場動力柜這一級的絕緣監(jiān)控?，F(xiàn)場動力柜內(nèi)每條回路RCD漏電電流的整定值只需小于人體接觸安全電流30 mA即可。絕緣監(jiān)測器對地監(jiān)測電阻整定值設(shè)置只需小于IT系統(tǒng)最大負(fù)載無故障運行時的對地絕緣電阻即可，其值一般小于100 KΩ，一般比較嚴(yán)苛的局部醫(yī)療IT系統(tǒng)規(guī)定為50 KΩ，金屬礦山井下IT系統(tǒng)可將其對地絕緣電阻值設(shè)定在50 K～100 KΩ。

綜合以上分析，提出RCD在金屬礦山井下配電系統(tǒng)的應(yīng)用方案：在采區(qū)變電所內(nèi)部進(jìn)線柜加裝絕緣監(jiān)測器，設(shè)置絕緣電阻整定值為50 K～100 KΩ，監(jiān)測采區(qū)變—現(xiàn)場動力柜這一級配電系統(tǒng)的絕緣情況；在現(xiàn)場動力柜內(nèi)每條到采掘設(shè)備終端的回路加裝RCD，整定值設(shè)定為30 mA。見圖5。

圖5 金屬礦山井下絕緣監(jiān)測裝置與RCD布置

根據(jù)絕緣監(jiān)測裝置和RCD在井下配電系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，實現(xiàn)了井下配電系統(tǒng)由監(jiān)控級故障電流報警到跳閘級故障電流切除的配合保護(hù)，加入RCD后，相當(dāng)于加入了跳閘級故障電流切除的后備保護(hù)，金屬礦山井下一線工作人員將得到更加安全的用電保護(hù)，為金屬礦山井下電力系統(tǒng)的連續(xù)、高效、安全運行提供更加有力的保障。

4 結(jié) 語

通過論證剩余電流保護(hù)器(RCD)在IT系統(tǒng)中如何使用，進(jìn)而結(jié)合金屬礦山井下IT系統(tǒng)自身的特點，將礦山供電系統(tǒng)按照供電順序進(jìn)行中央變、采區(qū)變、現(xiàn)場動力柜及采掘設(shè)備終端四級定位，分析并排除了RCD安裝在前兩級中的可能性，論證了RCD應(yīng)用在現(xiàn)場動力柜內(nèi)的合理性和必要性，證明RCD對礦山井下IT系統(tǒng)保護(hù)是一種非常必要的手段，建議金屬礦山相關(guān)設(shè)計單位能夠足夠重視。

[1] 羅巧秀.漏電保護(hù)器的工作原理和應(yīng)用[J].供用電,2002，19(3)：47-48.

[2] 王 巍，王金泉，徐 曄,等. IT系統(tǒng)中剩余電流保護(hù)器的使用[J]. 電世界，2013，54(9)：12-14.

[3] 王厚余.建筑物電氣裝置600問[M].北京：中國電力出版社，2013.

Application of the Residual Current Operated Protective Device in Underground Metal Mine

Heng Xu1Ma Wanli2,3,4

(1.Anhui Huaqi Environment Protection Technology Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine;4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metal Mineral Resources Co.,Ltd.)

The residual current operated protective device(RCD) is widely used in the electric equipments in domestic and overseas, it can effectively prevent the electric shock accidents with high sensitivity of the leakage current. The underground power distribution system belongs to the IT system, that is to say, it is the isolated neutral system and does not has null line. Under the system condition, the insulation grade of underground electrical equipment is higher than other systems. The environment of underground metal mine is wet, the durability of insulation of power distribution system is poor, so, it can increase the possibility of electric shock accidents. RCD is applied in the power distribution system in underground metal mine so as to prevent electric shock accidents with the insulation falling. The working principle and applicability of RCD are introduced, the reasonable schemes of installing the insulation monitor at the line cabinet in mining area and the configuration of stalling site power cabinet are proposed, therefore, the safe and stable operation of the underground electric system is ensured.

Underground metal mine, IT system, Residual current device, Site power cabinet

2015-06-30)

衡 旭(1973—)，男，工程師，243061 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)梅山路409號。