礦井采煤機漏電保護裝置的設(shè)計研究與應(yīng)用

郝 鵬

（山西寧武大運華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

目前，各個煤礦企業(yè)在不斷更新技術(shù)，提高煤礦開采設(shè)備的科技含量，提升自身的安全生產(chǎn)管理水平。采煤機作為煤礦開采的重要設(shè)備，在安全提升方面應(yīng)更加注重[1]。礦井采煤機的開采功率在不斷增加，對于電氣系統(tǒng)提出了更高的安全使用要求。尤其在危險的礦井環(huán)境內(nèi)，瓦斯等易燃易爆氣體彌漫在空氣內(nèi)，務(wù)必要避免漏電故障的發(fā)生，防止造成嚴重的安全事故。采煤機由于受到強大的沖擊和震動容易使得零部件松散，造成漏電情形的發(fā)生。因此有必要對采煤機漏電保護裝置的設(shè)計進行研究，對隨時可能出現(xiàn)的漏電情況進行遏制。通過對采煤機漏電保護裝置的研究能夠提升采煤機的本質(zhì)安全管理水平，保證礦井內(nèi)供電安全，防止一線作業(yè)人員觸電。研究成果為煤礦企業(yè)提高電氣安全管理水平提供了依據(jù)。

1 采煤機供電網(wǎng)路漏電分析

采煤礦井中始終處于高溫、高濕、高塵的工作環(huán)境，并且伴隨著各種機械的運行在空氣中會產(chǎn)生高強度的震動。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，井下的配電變壓器是不能直接中性點接地。但是對于現(xiàn)場實際工程觀察，井下的供電主要是采用電纜供電，并且供電的距離相對較短，分布的電容較廣，此時的零序阻抗值會變得較大。當某個電氣設(shè)備發(fā)生漏電時，會造成較大的危害。

雖然通常在采煤機供電中采用了中性點不接地的方式，但是在主供電線路中也通過電腦進行電力輸送。在各支路上的漏電電流就不易被發(fā)現(xiàn)，無法判別是否存在漏電故障。常規(guī)的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)為三相電系統(tǒng)，通常在檢測到某支路的電流量突然增大時才會進行用電保護，因此目前的電網(wǎng)系統(tǒng)對于零序電壓和零序電流的反應(yīng)不靈敏，導致對于漏電故障的反應(yīng)較慢。

2 電氣系統(tǒng)選擇性漏電保護

2.1 漏電保護的要求

漏電保護的主要原則是對一線作業(yè)人員進行保護，要保證安全電壓滿足國家標準規(guī)定范圍，保護觸電人員的人身安全[2-4]。由于礦井大多數(shù)都采用一個變電站為所有的用電設(shè)備進行供電，變電站的設(shè)計和后期維護都要將可靠性放在首位，同時也要保障漏電保護器的工作可靠性。首先在設(shè)計電路時要符合規(guī)范要求，并且不能超過電子元件的使用性能；其次當漏電事故發(fā)生后，漏電保護裝置的動作應(yīng)可靠迅速。

2.2 選擇性漏電保護原理

選擇性漏電保護器應(yīng)使得上、下級電氣設(shè)備在漏電保護響應(yīng)時間上有間隔。通過移動和固定式變電站，實現(xiàn)將組合電氣設(shè)備和終端電氣設(shè)備進行分別設(shè)置，在電器保護的縱向選擇性方面一般不采用零序功率來實現(xiàn)保護，而橫向選擇性完全相反。當供電電網(wǎng)對主要電流進行保護的同時，應(yīng)該注意對附加直流電源進行保護，通過采取中性點不接地系統(tǒng)檢測附加直流的通電方式，采用三項星型連接將中性點在主回路與大地之間形成三相供電方式，附加直流電源保護原理示意圖如圖1所示。

圖1 附加直流電源保護原理示意圖

2.3 漏電判斷原理

采煤機在進行正常的采煤作業(yè)時，絕緣電阻R0處于正常的絕緣狀態(tài)，在供電網(wǎng)絡(luò)通電的時候電流很小，同時電壓數(shù)據(jù)也較小[5]。當產(chǎn)生漏電故障的時候，絕緣電阻和回路電流將呈反比例數(shù)量關(guān)系。漏電檢測裝置將檢測到電壓值在不斷增加，通過與原有電壓信號進行對比，就可判定出漏電故障正在發(fā)生，從而可以切斷電網(wǎng)供電，使得電氣設(shè)備受到保護。漏電故障保護電路原理示意圖如圖2所示。

圖2 漏電故障保護電路原理示意圖

3 采煤機漏電保護裝置的方案設(shè)計

3.1 現(xiàn)有漏電保護裝置的問題

以問題為向?qū)В瑢Σ擅簷C漏電保護裝置的現(xiàn)存問題進行收集，并根據(jù)問題對漏電保護裝置進行設(shè)計研究，主要問題為信號采集反應(yīng)不靈敏并且不易識別；漏電特征信號容易受到電容及故障初相角因素的影響；附加直流源的直接檢測裝置在選擇性和速動性方面有所欠缺。

3.2 漏電保護方法

根據(jù)采煤及實際工況條件，采取附加直流漏電保護的方法增加電流保護裝置。在附加電源的電流回路當中，漏電電阻的數(shù)值一般較小，而產(chǎn)生的直流電源電流很大，可以通過回路中電阻值的變化來判定漏電故障是否仍在于回路中，具體保護原理示意圖如前文中圖2所示。

3.3 漏電保護裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前電壓型漏電保護裝置存在結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差等缺點，在漏電保護裝置的發(fā)展迭代過程中逐步被電流型漏電保護裝置取代?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外科研生產(chǎn)機構(gòu)大多數(shù)均以電流型漏電保護裝置為對象進行相關(guān)的技術(shù)標定和生產(chǎn)研究。漏電保護裝置的結(jié)構(gòu)組成，主要包括檢測元件、放大元件、比較元件以及執(zhí)行機構(gòu)等結(jié)構(gòu)[6]。

4 漏電保護實驗結(jié)果分析

該檢測裝置基于歐姆龍CP1H系列PLC控制系統(tǒng)，在經(jīng)過硬件、軟件的設(shè)計和調(diào)試后，根據(jù)采煤機電控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)制定了測試方案，見圖3。

圖3 漏電保護裝置功能試驗原理圖

試驗對采煤機截割電機進行漏電保護試驗。當截割電機正常工作時，通過漏電保護硬件電路對其采樣，如圖4所示，為正常時采樣輸出波形。當截割電機不發(fā)生漏電故障時，采樣波形幾乎沒有波動。當截割電機發(fā)生漏電故障時，如圖5所示為故障時采樣輸出波形。由輸出波形可以看出，當截割電機發(fā)生漏電故障時，采樣波形波動較大。通過實驗對比表明，漏電保護裝置能夠滿足采煤機截割電機電氣系統(tǒng)的設(shè)備保護要求。

圖4 正常工作時截割電機輸出波形圖

圖5 漏電時截割電機輸出波形圖