煤礦低壓系統(tǒng)中漏電檢測(cè)的研究*

王海王，馮豪

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

我國(guó)煤礦井下的低壓供電系統(tǒng)，普遍采用了三相變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。由于中性點(diǎn)不直接與大地連接，此系統(tǒng)電網(wǎng)即使發(fā)生單相接地，也不會(huì)與大地形成短路故障，可保護(hù)煤礦井下系統(tǒng)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。即使發(fā)生故障，煤礦井下用電設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)也能正常運(yùn)行，不會(huì)造成系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障后間接引起的二次故障，防止故障擴(kuò)大[1]。因此,變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)特別適合于煤礦井下低壓系統(tǒng)電網(wǎng)點(diǎn)多、工作面廣、用電設(shè)備復(fù)雜的地方，大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。但供電電纜對(duì)地存在分布電容，必須要保持供電電纜有較高的絕緣狀態(tài)[2]。比如,當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)生單相接地或單相經(jīng)過(guò)渡阻抗接地故障后，非故障相的相電壓將升高到線電壓。若不及時(shí)地檢測(cè)出系統(tǒng)電網(wǎng)的漏電故障，使系統(tǒng)電網(wǎng)長(zhǎng)期在故障狀態(tài)下運(yùn)行，則會(huì)破壞非故障相的電纜絕緣能力及降低用電設(shè)備的絕緣水平，造成絕緣擊穿。而漏電保護(hù)功能就是在人身漏電故障或系統(tǒng)供電電網(wǎng)對(duì)地絕緣能力下降時(shí)能立即切斷供電電源，起到保護(hù)用電設(shè)備及人身安全的重要作用。目前我國(guó)煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中，漏電保護(hù)功能主要采用零序電壓檢測(cè)和附加直流檢測(cè)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,本文著重通過(guò)零序電壓檢測(cè)和附加直流檢測(cè)的原理，比較兩種漏電保護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 零序電壓檢測(cè)原理

在煤礦井下變壓器中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)電網(wǎng)中，由于正常情況下供電電纜對(duì)地絕緣狀況較好，供電電纜每相對(duì)地絕緣阻抗一致，故此時(shí)系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地沒(méi)有零序電壓產(chǎn)生。只有當(dāng)供電系統(tǒng)電網(wǎng)中出現(xiàn)單相接地或漏電故障時(shí)，系統(tǒng)電網(wǎng)三相對(duì)地絕緣阻值不再一致，對(duì)地絕緣阻抗失去平衡，該系統(tǒng)電網(wǎng)中才會(huì)產(chǎn)生零序電壓。由此,零序電壓的檢測(cè)原理,主要是在供電系統(tǒng)電網(wǎng)漏電或供電電纜對(duì)地絕緣阻值下降時(shí)，利用零序電壓互感器檢測(cè)出系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的零序電壓。當(dāng)檢測(cè)出的零序電壓值達(dá)到漏電整定值時(shí)，必須切斷系統(tǒng)電網(wǎng)供電,以保證安全。

圖1為零序電壓的檢測(cè)原理。圖1中的T1為三相五柱式電壓互感器，其原邊繞組分別接到系統(tǒng)電網(wǎng)的三相，副邊繞組接成開(kāi)口三角形，用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)電網(wǎng)漏電時(shí)對(duì)地的零序電壓U0[3]。rA、rB、rC分別為系統(tǒng)電網(wǎng)每相對(duì)地阻值，CA、CB、CC分別為系統(tǒng)電網(wǎng)每相對(duì)地電容。當(dāng)供電系統(tǒng)電網(wǎng)中未出現(xiàn)單相接地或漏電故障時(shí)，即rA=rB=rC，CA=CB=CC，供電電纜每相對(duì)地絕緣阻抗一致，此時(shí)系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地沒(méi)有產(chǎn)生零序電壓U0。當(dāng)此系統(tǒng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地或漏電故障時(shí)，便有電流經(jīng)過(guò)其他兩相的對(duì)地絕緣電阻和電容構(gòu)成電流回路。

圖1 零序電壓檢測(cè)原理

U0的計(jì)算公式[4]:

(1)

式中:UA為漏電相的相電壓;Z0為每相的零序阻抗；rR為漏電相的人身電阻。

Z0的計(jì)算公式:

(2)

根據(jù)式(1)、(2)可以得出如下結(jié)論：供電系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地漏電時(shí)產(chǎn)生的零序電壓，不但與漏電時(shí)的漏電電阻有關(guān)，而且與供電系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值和對(duì)地分布電容及電網(wǎng)的電壓有關(guān)。但在低壓系統(tǒng)電網(wǎng)中，漏電保護(hù)判斷漏電的指標(biāo)并不是零序電壓，而是對(duì)地漏電的漏電電阻。

由式(1)可以看出，零序電壓是關(guān)于電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地絕緣阻抗和漏電電阻的一個(gè)多變量函數(shù)。它隨漏電時(shí)漏電電阻的降低而增加。

根據(jù)MT 189—88《礦用隔爆型檢漏繼電器》的要求，系統(tǒng)電網(wǎng)電容在0.1～1.0 μF之間變化時(shí),漏電電阻動(dòng)作值誤差應(yīng)不大于±20%。在系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為1 140 V發(fā)生漏電的情況下，用660 V/42 V零序變壓器測(cè)得零序電壓采樣值與漏電電阻、系統(tǒng)電容的關(guān)系如表1所示。

表1 零序電壓與漏電電阻、系統(tǒng)電容的關(guān)系

根據(jù)MT 189—88中的規(guī)定，系統(tǒng)電網(wǎng)為1 140 V的單相漏電電阻動(dòng)作值為20 kΩ。如表1所示：當(dāng)系統(tǒng)電壓相同、漏電電阻一樣時(shí)，零序電壓隨系統(tǒng)電容的增加而降低；在同樣是20 kΩ電阻漏電的情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)電容在0.10 μF和1.00 μF時(shí)，兩個(gè)零序電壓采樣值相差16.6 V；在漏電電阻為50 kΩ、系統(tǒng)電容為0.10 μF時(shí)，零序電壓采樣值為8.940 V，原本不應(yīng)該動(dòng)作。但是其零序電壓采樣值在漏電電阻為40 kΩ以下時(shí)的采樣值范圍之內(nèi)，進(jìn)入到了漏電阻值的動(dòng)作區(qū)間，就會(huì)有可能造成保護(hù)器的誤動(dòng)作。同樣的原理，在漏電阻值40 kΩ以下采集零序電壓時(shí)，原本保護(hù)器應(yīng)該動(dòng)作，但有可能拒動(dòng)。因此，采用零序電壓檢測(cè)法計(jì)算系統(tǒng)電網(wǎng)漏電時(shí)的對(duì)地漏電阻值，其檢測(cè)精度比較差，漏電電阻的動(dòng)作值根本達(dá)不到MT 189—88的規(guī)定要求[5]。

同時(shí),零序電壓檢測(cè)方法容易受到系統(tǒng)電網(wǎng)的干擾，即系統(tǒng)供電電纜長(zhǎng)度、系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地分布電容、系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地絕緣狀態(tài)等都能干擾零序電壓的檢測(cè)[6]。因此,通過(guò)零序電壓檢測(cè)方法檢測(cè)出來(lái)的零序電壓值，經(jīng)常不能真實(shí)地反映出系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣情況，造成了漏電保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)的狀況。

2 附加直流檢測(cè)原理

附加直流檢測(cè)的原理,是在供電系統(tǒng)電網(wǎng)與大地之間施加一組獨(dú)立的直流電源。當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)與大地之間出現(xiàn)漏電故障或絕緣電阻出現(xiàn)下降時(shí)，施加在系統(tǒng)電網(wǎng)中的直流電流就會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)直流電流的計(jì)算可以得出系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值[7]。附加直流檢測(cè)原理如圖2所示。

在圖2中，SK為三相電抗器，輸入側(cè)接到系統(tǒng)供電電網(wǎng)中，輸出側(cè)為在檢測(cè)電路中人為制造中性點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)與大地之間出現(xiàn)漏電故障時(shí)，其附加直流電源U產(chǎn)生的電流I經(jīng)過(guò)電阻r1、三相電抗器SK的直流電阻rSK、三相對(duì)地絕緣等效電阻rε、電阻r2形成回路。通過(guò)對(duì)流經(jīng)故障點(diǎn)的直流電壓U1的計(jì)算可得出此系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值,即:

圖2 附加直流檢測(cè)原理

(3)

當(dāng)供電系統(tǒng)電網(wǎng)中的任意一項(xiàng)對(duì)地絕緣阻值下降時(shí)，由于系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的等效絕緣電阻的阻值rε是三相分別對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)阻值，故其下降的幅度要小于三相電阻同時(shí)下降的阻值。這樣,通過(guò)附加直流法檢測(cè)出來(lái)的rε就可以計(jì)算出系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值,即可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地絕緣阻值的檢測(cè)來(lái)進(jìn)行漏電保護(hù)[8]。

在附加直流電源檢測(cè)系統(tǒng)中，由于三相電抗器SK的存在，當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地絕緣下降或在漏電的情況下，會(huì)有交流電流經(jīng)過(guò)三相電抗器SK、電阻r1和r2，影響采樣電壓U1的精確度。另外，系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地分布電容由于受到供電電纜長(zhǎng)度、電纜絕緣材料及電纜放置方式等多種因素的影響，系統(tǒng)電網(wǎng)三相對(duì)地的分布電容不再是固定值。電容c1是將流經(jīng)三相電抗器SK的交流電流流入大地，使交流電流不會(huì)影響采樣電壓U1的精確度。由于旁路電容c1是固定值，系統(tǒng)電網(wǎng)三相對(duì)地分布電容的不確定性，經(jīng)常造成過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，影響采樣電壓U1的精確度。

通過(guò)對(duì)附加直流檢測(cè)法的漏電保護(hù)原理的分析可知,附加直流檢測(cè)法的漏電保護(hù)原理可以監(jiān)測(cè)整個(gè)供電系統(tǒng)電網(wǎng)的對(duì)地絕緣阻值，全面保護(hù)整個(gè)低壓供電電網(wǎng)系統(tǒng)，且保護(hù)動(dòng)作無(wú)死區(qū);也符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的用系統(tǒng)電網(wǎng)的絕緣阻值作為系統(tǒng)電網(wǎng)絕緣能力下降或系統(tǒng)電網(wǎng)漏電的判斷依據(jù)[9]。

3 結(jié)論

漏電保護(hù)是煤礦井下安全供電的三大保護(hù)之一。在煤礦低壓供電系統(tǒng)電網(wǎng)中，由于井下工作環(huán)境和供電電纜長(zhǎng)度等因素引起的分布電容的干擾，以及在變壓器三相中性點(diǎn)不接地的供電系統(tǒng)電網(wǎng)中的漏電電流較小，漏電保護(hù)裝置對(duì)漏電電流的檢測(cè)精度往往不高。采用零序電壓檢測(cè)法容易受到系統(tǒng)電網(wǎng)電容的影響，不能準(zhǔn)確測(cè)出系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值。而采用附加直流檢測(cè)法可以檢測(cè)出系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值。但由于檢測(cè)電路中的交流信號(hào)分量和旁路電容造成的過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，使檢測(cè)出來(lái)的系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻值存在偏差。