礦山低壓絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

邵長鋒

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

當(dāng)前，在礦山的井下經(jīng)常由于巖石的碰撞及水的浸漬，電氣設(shè)備外殼及電纜外皮較易受損，使絕緣水平降低或破壞，導(dǎo)致漏電故障發(fā)生，危及人身安全或設(shè)備損壞，對有可燃、易爆氣體的礦井，還會引起燃燒和爆炸事故。

為了在漏電事故發(fā)生后，避免對人身、設(shè)備的危害及爆炸事故的發(fā)生，有色礦山井下低壓配電IT系統(tǒng)均應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置，當(dāng)絕緣下降至整定值時，應(yīng)由絕緣監(jiān)視器發(fā)出可聽、可見信號。在有色礦山行業(yè)很長一段時間內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時只能靠人工逐一斷開負(fù)載回路來排查故障，不僅耗時費力，還會破壞設(shè)備供電的連續(xù)性，另外頻繁開斷開關(guān)也可能會引起系統(tǒng)操作過電壓，降低開關(guān)壽命[1]。

隨著國內(nèi)智能礦山建設(shè)的需要，針對有色礦山井下低壓供電系統(tǒng)，有必要研究設(shè)計出一種集故障定位低壓絕緣監(jiān)測、電量監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程停送電等功能于一體的多功能低壓絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在設(shè)備或電纜發(fā)生接地故障時立即報警并定位故障點，保證正常生產(chǎn)和人員安全，而且還可以采集電能信號、變電所環(huán)境監(jiān)測信號以及遠(yuǎn)程控制低壓開關(guān)的合分閘，并可將監(jiān)控信息通過工業(yè)以太網(wǎng)接入全礦的綜合管控平臺，實現(xiàn)整個低壓配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 常用的低壓絕緣監(jiān)測方法

在有色礦山井下低壓配電IT系統(tǒng)中，廣泛采用在低壓配電設(shè)備上分散就地安裝檢漏繼電器或其他型式的絕緣監(jiān)視模塊，對供電安全有一定的作用，但是也存在一些不足之處。這些就地安裝的檢漏繼電器或絕緣監(jiān)視模塊通常由低壓配電設(shè)備廠家配套提供，功能單一，與礦山網(wǎng)絡(luò)之間缺少統(tǒng)一規(guī)劃性，相當(dāng)一部分用戶只能在低壓配電設(shè)備現(xiàn)場查看系統(tǒng)絕緣情況，不利于礦山安全運(yùn)行。

對于井下低壓配電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測，通常采用如下幾種方法：

(1)采用檢漏繼電器法

檢漏繼電器常用的有JJKY-30型和JY82型。

JJKY-30型檢漏繼電器是專門為低壓配電設(shè)備配套而研制的產(chǎn)品，既可以單獨使用，也可以與低壓選漏裝置配套使用，適用于井下低壓配電IT系統(tǒng)，分為1 140 V、660 V、380 V、127 V四個電壓等級。

JY82型檢漏繼電器適用于交流電壓至660 V或更高的TN、TT、和IT系統(tǒng)。JY82型檢漏繼電器通過零序電流互感器檢測出超過整定值的零序(剩余)漏電電流。該繼電器可與帶分勵脫扣器或失壓脫扣器的斷路器、交流接觸器、磁力啟動器等組成漏電保護(hù)裝置，作漏電和觸電保護(hù)之用，可配備蜂鳴器、信號燈等各種聲光器件組成漏電報警裝置。

(2)采用注入特殊信號法

針對井下低壓配電網(wǎng)絡(luò)的特點，用于井下絕緣監(jiān)測的注入特殊信號法主要包括：附加直流電源信號注入法、工頻檢測法及附加低頻信號注入法。

附加直流電源信號注入法可以檢測出井下電網(wǎng)對地的并聯(lián)電阻值，但它只能檢測電纜對地的絕緣電阻，卻不能有效的檢測出它們對地的分布電容[2]，因此，此種方法無法反映絕緣的真實情況。

工頻檢測法是在低壓電網(wǎng)中加入與井下電網(wǎng)頻率一致的低壓交流電壓。這種方法的優(yōu)點是不用附加其它檢測電源，即可檢測出電網(wǎng)設(shè)備的絕緣電阻值和分布電容值。工頻法檢測方法十分簡單，缺點是靈敏度低、檢測誤差較大[3]。

針對于附加直流電源信號注入法和工頻檢測法的不足，目前有色礦山井下絕緣監(jiān)測裝置多采用附加低頻信號注入法進(jìn)行電網(wǎng)絕緣電阻檢測，該方法可以有效地對井下電網(wǎng)絕緣的狀況進(jìn)行在線監(jiān)測。

附加低頻信號注入法的基本原理是在三相交流電網(wǎng)中附加一個低頻電源信號。低頻電源經(jīng)三相電抗器進(jìn)入電網(wǎng)，再由電網(wǎng)的對地電容、絕緣電阻入地，構(gòu)成低頻電流回路，通過對各低頻電流信號進(jìn)行處理與計算，即可求得各條支路電纜的絕緣電阻情況，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測。對低頻信號而言三相電抗器和線路阻抗引入的電抗值極小，與低壓電網(wǎng)的絕緣阻抗相比，可以忽略不計[4]。等效電路圖如圖1所示。

圖1 附加低頻信號注入法等效電路圖

圖中任一支路絕緣參數(shù)：

(1)

由式(1)得：

(2)

式中U—低頻電壓值，V；

ω—角頻率，rad/s；

θ—相位角，°；

Ii—第i支路的低頻電流值，A；

Ri—第i支路的絕緣電阻總值，Ω；

Ci—第i支路的對地電容總值，F(xiàn)。

在每條支路上裝置高靈敏度電流互感器，即漏電流采集模塊，測量其二次輸出的電流信號，將互感器測量的電壓、電流信號進(jìn)行濾波等處理后上傳到絕緣監(jiān)測裝置進(jìn)行計算，即可求得對應(yīng)支路的對地絕緣參數(shù)值，實現(xiàn)各回路的絕緣狀況監(jiān)測。

(3)采用簡單的信號指示燈法

在有色礦山除采用檢漏繼電器法或向電網(wǎng)注入特殊信號法實現(xiàn)低壓電網(wǎng)絕緣監(jiān)測保護(hù)外，在實際設(shè)計與生產(chǎn)中，也有些礦山采用將霓虹燈接成星形，其中性點接地，置于井下變電所內(nèi)。如有漏電故障時，值班人員在巡查中即可查出，其接線方式如圖2所示。正常時霓虹燈是亮的，如發(fā)生漏電時，故障相的霓虹燈即熄滅，可將此信號經(jīng)變換后引至有人值班的變電所內(nèi)[5]。

圖2 信號指示燈法用于井下漏電監(jiān)視

2 多功能低壓絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 設(shè)計原則

采用礦山融合技術(shù)將電網(wǎng)電量監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程停送電與低壓電網(wǎng)絕緣監(jiān)測深度融合，在技術(shù)上實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的相互交叉、相互滲透、信息相互引用、資源相互共享，在設(shè)備上實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的共享、最大程度減少了電氣設(shè)備的種類、統(tǒng)一了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通訊規(guī)約。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)可用于1 000 V及以下的所有低壓配電IT系統(tǒng)中，主要由監(jiān)控裝置柜體、電源回路模塊、漏電流采集模塊、絕緣監(jiān)測模塊、故障定位模塊、聲光報警模塊、可編程邏輯控制模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模塊，共8個部分組成。根據(jù)現(xiàn)場低壓配電系統(tǒng)情況及實際需求，可靈活配置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1.絕緣監(jiān)測模塊 2.故障定位模塊 3.聲光報警模塊 4.可編程邏輯控制模塊 5.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī) 6.電源回路模塊 7.漏電流采集模塊 8.低壓開關(guān) 9.低壓用電設(shè)備

系統(tǒng)各構(gòu)成部分情況如下：

(1)監(jiān)控裝置柜體采用敷鋁鋅鋼板制成，柜體前后均設(shè)有門，門縫接口處均采用凹槽結(jié)構(gòu)，并采用密封條進(jìn)行防水密封。柜體進(jìn)出線均采用格蘭頭密封，頂部有蓋板，防止異物、水滴進(jìn)入柜內(nèi)。柜體外殼防護(hù)等級達(dá)到防塵、防濺水的IP54等級。

(2)電源回路模塊主要為監(jiān)測系統(tǒng)提供低壓交流控制電源，由低壓開關(guān)、熔斷器等組成。

(3)絕緣監(jiān)測模塊采用附加低頻信號注入法，能夠監(jiān)測電網(wǎng)的絕緣電阻值、電容值、漏電流值，并輸出故障信號及報警信號。

(4)漏電流采集模塊用于采集電網(wǎng)對地漏電流，和故障定位模塊一起用于電網(wǎng)絕緣的監(jiān)測、定位和測量。該模塊安裝在低壓配電設(shè)備內(nèi)的配電回路電纜上，一個漏電流采集模塊對應(yīng)一條配電回路電纜。

(5)故障定位模塊接收漏電流采集模塊傳來的數(shù)據(jù)，并與絕緣監(jiān)測模塊協(xié)同工作，將漏電流采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定閾值進(jìn)行比較，可以識別故障回路。一個故障定位模塊可以監(jiān)測多個漏電流采集模塊。

(6)聲光報警模塊包含LED警示燈、智能語音模塊、消音裝置三部分。當(dāng)發(fā)生故障時，LED警示燈間斷閃爍，智能語音模塊自動播報故障信息，并提示維護(hù)人員檢查設(shè)備。消音模塊用于維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場后，按下消音按鈕，語音模塊停止播報。

(7)可編程邏輯控制模塊包含電源模塊、CPU模塊、信號模塊以及通訊處理器。該模塊與絕緣監(jiān)測模塊、故障定位模塊采用現(xiàn)場總線通訊，將電網(wǎng)絕緣狀態(tài)、工作電源狀態(tài)、絕緣監(jiān)測模塊狀態(tài)、故障定位模塊狀態(tài)、絕緣電阻值等通過工業(yè)以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線傳輸?shù)街悄艿V山綜合管控平臺?？删幊踢壿嬁刂颇K還可以根據(jù)需求，與多功能電表采用MODBUS或PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行通訊，采集低壓電量消耗數(shù)據(jù)、低壓配電設(shè)備開關(guān)的狀態(tài)以及實現(xiàn)對低壓配電開關(guān)遠(yuǎn)程控制。

可編程邏輯控制模塊典型特性如下：

(1)與智能礦山綜合管控平臺通訊，接收智能礦山綜合管控平臺指令；

(2)具有運(yùn)行狀態(tài)識別、故障多重保護(hù)功能，具有自檢功能等；

(3)向智能礦山綜合管控平臺發(fā)送實時運(yùn)行信息；

(4)通過現(xiàn)場總線與絕緣監(jiān)測模塊、故障定位模塊、多功能電表等通訊，監(jiān)測各種電量和非電量參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)；

(5)數(shù)據(jù)采集、處理和系統(tǒng)診斷；

(6)支持工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、RS485總線等多種通信方式。

2.3 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可以實時監(jiān)測低壓電網(wǎng)絕緣變化，方便維護(hù)人員根據(jù)監(jiān)測值對電網(wǎng)進(jìn)行預(yù)維護(hù)，一旦系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障，將發(fā)出絕緣告警，同時可以準(zhǔn)確定位出故障線路。該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)低壓配電的絕緣監(jiān)測及定位功能，還可以實現(xiàn)電網(wǎng)電量監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程停送電控制。

系統(tǒng)配置靈活，支持多種通訊方式與協(xié)議，實現(xiàn)了有色礦山低壓配電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，可提高低壓配電系統(tǒng)的安全性、可靠性、可控性，降低系統(tǒng)運(yùn)維成本。

3 結(jié)語

本文提供了有色礦山低壓絕緣監(jiān)測系統(tǒng)一種新的設(shè)計思路，通過現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信及融合控制技術(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)絕緣監(jiān)測、電量監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程停送電等多種監(jiān)控系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)了礦山多網(wǎng)合一，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了工程投資，可大幅度提高低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。該系統(tǒng)既可獨立運(yùn)行，又具備多種通訊協(xié)議，為融入智能礦山綜合管控平臺提供了技術(shù)支撐。