煤礦供電系統(tǒng)漏電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

李曉飛　劉英君　沙波　許仁杰　鄭偉

【摘 要】由于井下環(huán)境惡劣，井下時(shí)常發(fā)生漏電故障，作為煤礦供電系統(tǒng)三大保護(hù)之一的漏電保護(hù)對(duì)整個(gè)煤礦正常生產(chǎn)與人身安全有著的重要意義，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求漏電電流不得超過(guò)30mA·s，所以對(duì)于井下漏電保護(hù)要求具有足夠的可靠性和相應(yīng)的靈敏性來(lái)維持礦井供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。隨著數(shù)字化礦山的發(fā)展趨勢(shì)，漏電保護(hù)裝置也由傳統(tǒng)的模擬器件向著由微機(jī)監(jiān)控和處理信息的漏電保護(hù)綜合系統(tǒng)發(fā)展，本文簡(jiǎn)要介紹了目前漏電保護(hù)技術(shù)目前應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r。只有研究好了煤礦漏電保護(hù)才能為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

【關(guān)鍵詞】漏電保護(hù)；煤礦供電；應(yīng)用

Application and Development of Leakage Protection Technology in Coal Mine Power Supply System

LI Xiao-fei LIU Ying-jun SHA Bo XU Ren-jie ZHENG Wei

（China University of Mining and Technology〈Beijing〉Institute of mechanical and electrical and information engineering， Beijing 100083， China）

【Abstract】Due to the harsh conditions in the mine， mine frequent leakage fault， as the leakage protection in mine power supply system to protect one of the three of the entire coal mine normal production and personal safety has important meaning. According to the < Coal Mine Safety Regulations > requirements leakage current shall not exceed 30mA - s， so for the underground leakage protection requirements with enough reliability and the corresponding sensitivity to maintain the safety and stability of power supply system of coal mine. With the development trend of the digital mine， leakage protection device also by the traditional simulator towards the development of integrated system by microcomputer monitoring and processing of information leakage of protection. This paper briefly introduces the current leakage protection technology at present With the development of the coal mine. Only to leakage protection for the coal mine production safety escort.

【Key words】Leakage protection； Coal mine power supply； Application

0 引言

在煤礦供電系統(tǒng)中，導(dǎo)體對(duì)大地的絕緣下降到一定的程度或者發(fā)生電氣設(shè)備發(fā)生短接故障時(shí)會(huì)發(fā)生漏電故障，由于井下潮濕環(huán)境和工作不當(dāng)，導(dǎo)致漏電故障時(shí)常發(fā)生。漏電故障發(fā)生時(shí)不僅對(duì)井下操作人員構(gòu)成危害，而且由于煤礦存在一定的瓦斯和粉塵，漏電故障的發(fā)生引起電火花，可能導(dǎo)致瓦斯或粉塵爆炸，對(duì)整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，所以研究好漏電保護(hù)對(duì)國(guó)民生命財(cái)產(chǎn)有著重要的意義。

隨著漏電保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及相應(yīng)器件不斷向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，漏電保護(hù)裝置也從以前只具有單一的跳閘功能或者只能監(jiān)控一種故障，逐漸發(fā)展成具有在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與分析、打印、智能化人機(jī)界面等多功能的能處理多種故障，同時(shí)具有漏電閉鎖，安全接地的漏電保護(hù)裝置在煤礦供電系統(tǒng)中應(yīng)用的越來(lái)越多了。這種具有高集成化，安全性，可靠性大大提升了的漏電保護(hù)裝置正成為保證煤礦安全生產(chǎn)，礦工生命安全新的安全衛(wèi)士。

1 漏電保護(hù)原理及應(yīng)用

1.1 附加直流電源檢測(cè)式漏電保護(hù)

當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時(shí)，易檢測(cè)到三相電網(wǎng)各相對(duì)地絕緣電阻的下降。如果在三相電網(wǎng)中附加一個(gè)直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)與大地之間，在三相對(duì)地的絕緣電阻上將有直流電流流通。該電流的大小直接反映了電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的變化，有效檢測(cè)和利用該直流電流，就可以構(gòu)成附加直流檢測(cè)式漏電保護(hù)[1]。

附加直流電源檢測(cè)的保護(hù)原理如圖 1 所示。漏電保護(hù)單元由直流檢測(cè)電源、直流檢測(cè)回路、信息采集回路、繼電保護(hù)機(jī)構(gòu)等幾部分組成。

圖1 附加直流電源檢測(cè)式漏電保護(hù)原理圖

1.2 利用三個(gè)整流管構(gòu)成的漏電保護(hù)裝置

三個(gè)整流管構(gòu)成的漏電保護(hù)原理如圖 2所示。三個(gè)整流管分別接到電網(wǎng)的 a、b、c三相 ，另一端星形連接在一起 ，并經(jīng)負(fù)載電阻Rfz接地。由于煤礦供電系統(tǒng)中多采用中性點(diǎn)不接地方式，三個(gè)整流管D整流以后的直流電流 ，流經(jīng)負(fù)載電阻、大地、電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻，之后返回電源[2]。由于三相對(duì)地絕緣電阻的大小直接影響直流電流的大小，因此通過(guò)檢測(cè)直流電流的大小就反映了電網(wǎng)對(duì)地的絕緣情況， 可以通過(guò)此原理構(gòu)成漏電保護(hù)裝置。

圖2 利用三個(gè)整流管構(gòu)成漏電保護(hù)的原理

1.3 零序電壓式漏電保護(hù)

井下供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的零序電壓，利用零序電壓的大小可以反映三相電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的大小，通過(guò)檢測(cè)零序電壓，當(dāng)達(dá)到一定動(dòng)作值時(shí)可以使開(kāi)關(guān)跳閘，對(duì)人員和電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。其保護(hù)原理圖如圖3。

圖3 零序電壓式漏電保護(hù)原理

1.4 零序電流式漏電保護(hù)

根據(jù)上述零序電壓式的漏電保護(hù)原理可知，當(dāng)不對(duì)稱(chēng)故障回路中包含零序回路時(shí)，在零序電壓的作用下必然會(huì)產(chǎn)生零序電流，零序電流的大小也可以反映對(duì)地絕緣的水平。利用一個(gè)零序電流互感器構(gòu)成的檢測(cè)回路可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣水平，進(jìn)而通過(guò)電流繼電器的動(dòng)作，切斷故障線路。其保護(hù)原理圖如圖4。

圖4 零序電流式漏電保護(hù)原理

1.5 零序功率方向式漏電保護(hù)

零序功率方向的保護(hù)原理。系統(tǒng)利用了零序功率方向的保護(hù)原理， 結(jié)合了零序電壓保護(hù)、零序電流保護(hù)、零序電流方向的保護(hù)原理。不僅利用零序電壓和零序電流的幅值大小判斷供電系統(tǒng)內(nèi)是否發(fā)生漏電和哪條支路發(fā)生漏電， 同時(shí)還利用了各支路零序電壓和零序電流的相位關(guān)系來(lái)判斷漏電支路。如此可以做到良好的選擇性[3]。其保護(hù)裝置構(gòu)成圖如圖5。

圖5 零序功率方向式漏電保護(hù)原理

1.6 旁路接地式漏電保護(hù)

旁路接地原理實(shí)質(zhì)上是一種當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相漏電或人身觸及一相時(shí)，在供電開(kāi)關(guān)跳閘以前的附加保護(hù)接地，使已漏電的一相導(dǎo)線接地，因而即使是人身觸及相線，也有顯著的保護(hù)作用[4]。旁路接地式漏電保護(hù)的基本依據(jù)是在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相漏電時(shí)，而不影響電網(wǎng)電壓的對(duì)稱(chēng)性， 整個(gè)電網(wǎng)仍可以帶負(fù)荷運(yùn)行。并由執(zhí)行電路使故障相直接接地，此時(shí)漏電電流絕大部分經(jīng)旁路接地極入地， 而漏電點(diǎn)處的電流或人身觸電電流則變得很小，因而提高了漏電保護(hù)系統(tǒng)的安全性，其保護(hù)原理如圖6。

圖6 旁路接地式漏電保護(hù)

1.7 應(yīng)用與比較

根據(jù)以上六種漏電保護(hù)原理我們可以得到如下表格：

2 現(xiàn)有漏電保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成

目前應(yīng)用于礦井供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)大致可分為無(wú)選擇性和選擇性，而盡可能使供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行以保證井下生產(chǎn)的不間斷，多采用選擇性漏電保護(hù)裝置。根據(jù)上述漏電保護(hù)原理，可知具有選擇性的漏電保護(hù)主要采用零序電流方向保護(hù)和零序功率方向式漏電保護(hù)。

2.1 現(xiàn)用漏電保護(hù)分析

我們簡(jiǎn)要介紹具有三級(jí)選擇性漏電保護(hù)：每一磁力起動(dòng)器內(nèi)部裝有 DXL-660C作為磁力起動(dòng)器配出線漏電保護(hù)的第一級(jí)；每一分支開(kāi)關(guān)中 DXL-660C漏電保護(hù)器作為磁力起動(dòng)器到分支饋電開(kāi)關(guān)之間的漏電保護(hù)構(gòu)成第二級(jí)；第三級(jí)是 BJJ4隔爆型帶旁路接地的總檢漏繼電器 ，與總的饋電開(kāi)關(guān)配合。該系統(tǒng)橫向選擇性上是通過(guò)零序電流的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ，而縱向選擇性是通過(guò)時(shí)間差 。而總檢漏繼電器動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng) ，第二級(jí)漏電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間也較長(zhǎng) ，兩者之和大約0.6-0.7s，這對(duì)人身安全極其不利 ，為了解決選擇性與快速性之間的矛盾 ，需要在檢漏電器中加入旁路接地裝置 ，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相漏電或人身觸電時(shí)，通過(guò)檢測(cè)選相器確認(rèn)故障相電路 ，并由執(zhí)行電路使故障相經(jīng)低電阻入地 ，而漏電或人身觸電電流則變得很小 ，為了適應(yīng)上述特點(diǎn) ，要求該系統(tǒng)必須具有以下功能：

1）旁路接地的動(dòng)作時(shí)間必須短，否則將失去旁路接地的意義。

2）選擇故障支路必須正確，否則觸電時(shí)加在人身上的電壓反而升高 ，造成人身傷亡事故。

3）在旁路接地動(dòng)作前，各級(jí)檢漏繼電器必須能記憶故障支路 ，否則將失去選擇性。

4）故障支路切除后 ，旁路接地必須解除。要滿(mǎn)足上述要求，系統(tǒng)必然很復(fù)雜，特別是對(duì)旁路接地的準(zhǔn)確性要求很高，各級(jí)之間的配合很?chē)?yán)密 ，這些都會(huì)給運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)一定困難 ，而利用兩零電流互感器的零序電流方向作為漏電保護(hù)就可以克服上述缺點(diǎn)[5]。

3 漏電保護(hù)裝置的發(fā)展

目前，隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，漏電保護(hù)已從單獨(dú)的保護(hù)裝置發(fā)展為與各類(lèi)開(kāi)關(guān)的配套組合的綜合裝置，從單一原理型發(fā)展為多種原理綜合型， 從原始的機(jī)電式控制發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制 ，使普通開(kāi)關(guān)變成了具有過(guò)流保護(hù)、保護(hù)接地、漏電保護(hù)、漏電閉鎖等多種保護(hù)功能的綜合保護(hù)裝置，從只能處理幾種故障情況的硬件裝置發(fā)展成為具有智能化的能自行預(yù)計(jì)判斷與處理恢復(fù)功能的智能電器計(jì)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展與多樣化，可以采取分布式漏電保護(hù)裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或者無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將物理量傳送到上位機(jī)，經(jīng)過(guò)A/D變換在上位機(jī)中設(shè)定的軟件中進(jìn)行信息處理、比較放大、信號(hào)輸出等環(huán)節(jié)；使保護(hù)性能更加優(yōu)越，動(dòng)作更加靈敏、可靠 ，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的智能化控制，利用多功能數(shù)字顯示屏建立了良好的人機(jī)界面， 通過(guò)它可以直觀進(jìn)行短路、過(guò)載、漏電等多種保護(hù)參數(shù)的設(shè)定 ，循環(huán)顯示系統(tǒng)的各種工作參數(shù)和對(duì)地絕緣水平，故障跳閘后可再現(xiàn)故障的類(lèi)型 ，使故障的判斷和排除更加快速和簡(jiǎn)潔[2]。

然而，漏電保護(hù)技術(shù)的研究和發(fā)展還在繼續(xù)進(jìn)行著 ，能根據(jù)礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行情況和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)原理、性能、特性和定值的自適應(yīng)漏電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入研究和開(kāi)發(fā)的過(guò)程中。這將為實(shí)現(xiàn)總漏電保護(hù)單元與分支漏電保護(hù)單元之間的在線通信、可靠的漏電閉鎖和選擇性保護(hù)跳閘提供技術(shù)保證 ，提高供電的可靠性 、安全性和生產(chǎn)效率。這也是漏電保護(hù)技術(shù)的研究和發(fā)展方向 。從運(yùn)行角度考慮 ，自然是要求漏電保護(hù)系統(tǒng)有選擇性，但從安全考慮， 選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)又存在動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、 觸電的危險(xiǎn)性增大的問(wèn)題， 因此， 既要考慮漏電保護(hù)裝置動(dòng)作的選擇性 ， 又要滿(mǎn)足人身觸電的安全要求 ，還要適合我國(guó)現(xiàn)行礦井供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地方式的特點(diǎn)[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)十分重要，因此發(fā)展和完善漏電保護(hù)裝置對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。根據(jù)6種不同的漏電保護(hù)原理現(xiàn)已組成應(yīng)用于不同情況下的漏電保護(hù)系統(tǒng)，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和礦井安全生產(chǎn)更高的要求，具有自適應(yīng)的，數(shù)字化的，智能化的漏電保護(hù)成為研究的熱點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]