煤礦低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)探析

王 寧

（山西潞安配售電有限公司，山西 長治 046204）

引言

我國對于供電系統(tǒng)主要選用以中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)，其漏電類型如單相接地、兩相接地、三相故障等。不完全統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在供電系統(tǒng)故障中，井下漏電所占的比例達(dá)到70%。通常情況下，漏電故障不僅可以對人的身體產(chǎn)生一定的傷害，而且極易產(chǎn)生電火花，進(jìn)而引發(fā)瓦斯與粉塵爆炸事故。當(dāng)前，我國相關(guān)學(xué)者在煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)方面已經(jīng)取得了一定成績，諸如王彥文等[1]為解決煤礦井下低壓配電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置存在的問題，制定出零序電流差動量的選擇漏電保護(hù)方式。假如井下低壓電網(wǎng)處于單相漏電故障狀態(tài)，那么這時可以選用支路零序電流差值方式，即依據(jù)差動量的幅值以及相應(yīng)的相位，從而可以實(shí)施漏電保護(hù)以及相應(yīng)的區(qū)段定位。借助仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，雖然該方式能夠有效地優(yōu)化單相漏電保護(hù)的靈敏性以及可靠性，但是在實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)其往往受到絕緣電阻以及相應(yīng)的電容的影響。李宗臻等[2]，對于礦井選擇性漏電保護(hù)中存在的橫向選擇以及縱向兩個方面，提出了與之相應(yīng)的漏電保護(hù)方法，與此同時，借助DSP 處理器進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，這樣可以大大優(yōu)化漏電保護(hù)裝置的選擇性以及可靠性。

1 選擇性漏電故障分析

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在礦井低壓電網(wǎng)漏電故障中，單相漏電中故障率可以占總漏電的85%。假如出現(xiàn)了單相漏電問題時，那么低壓電網(wǎng)中性點(diǎn)將會出現(xiàn)偏移，從而導(dǎo)致各相對地電壓不對稱。下頁圖1 表示3條支路的礦井低壓供電網(wǎng)絡(luò)，支路3 發(fā)生A 相單相漏電故障系統(tǒng)的原理圖。

通常在支路上面設(shè)置兩個零序電流互感器LHij，其中小腳碼i 表示相應(yīng)的支路數(shù)，而j 表示相應(yīng)的支路零序電流互感器的次序。表示相應(yīng)的支路上出現(xiàn)零序電流后互感器二次側(cè)感應(yīng)電流。其中，Cij代表相應(yīng)的各支路上設(shè)置的電容，Rij代表相應(yīng)的各支路設(shè)置的接地絕緣電阻。A、B以及C表示低壓配電網(wǎng)干線三相電壓，其中中性點(diǎn)對地的電壓用0表示，而3Cb表示相應(yīng)的干線電容，Rb/3 表示相應(yīng)的干線對地絕對電阻，下頁圖1 代表相應(yīng)的在支路3 上面出現(xiàn)單相漏電故障問題時，其出現(xiàn)故障位置為LH31和LH32之間，Rg表示相應(yīng)的等效絕緣對地電阻，代表相應(yīng)的零序回路中的漏電電流，式（1）表示礦井低壓電網(wǎng)單相漏電系統(tǒng)對地阻抗參數(shù)：

圖1 礦井低壓電網(wǎng)單相漏電系統(tǒng)原理圖

通常情況下可以依據(jù)中性點(diǎn)電壓及相應(yīng)的漏電故障電壓兩者之間的相位，即可以有效地找到故障終路。

2 選擇性漏電裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該裝置硬件部分能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：低壓電網(wǎng)絕緣檢測-零序電流方向判斷-控制器發(fā)出漏電保護(hù)控制指令。

1）低壓電網(wǎng)絕緣檢測。假如發(fā)現(xiàn)在某一個支路上絕緣電阻值小于漏電保護(hù)動作值，那么這時控制器將會給漏電保護(hù)發(fā)出漏電保護(hù)控制指令，同時系統(tǒng)就會使得繼電器以及脫扣器發(fā)生動作。

2）零序電流方向判斷。通?？梢砸月╇娨葡嗪螽a(chǎn)生的中性點(diǎn)電壓。作為新的判定參考基準(zhǔn)，這樣既可以對各個支路零序電流互感以漏電移相后的新中性點(diǎn)電壓。為基準(zhǔn)，判斷各支路零序電流互感器二次側(cè)電流在相位上是否和。同相。假如在某一個支路上出現(xiàn)了漏電保護(hù)故障，這時將會開啟跳閘保護(hù)。

3）假如系統(tǒng)發(fā)出漏電保護(hù)信號Tproms 后，假如當(dāng)前依舊存在漏電，那么系統(tǒng)就會開始進(jìn)行漏電縱向保護(hù)選擇，通常漏電電設(shè)置在總開關(guān)位置。

圖2 表示該保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)示意圖。通過分析發(fā)現(xiàn)，該硬件系統(tǒng)控制單元為STM32F103 ZET6，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)主從控制。該控制單元外接如下幾個元件：顯示及鍵盤、零序電壓采樣電路、信號調(diào)理電路、繼電器、絕緣電阻連續(xù)檢測模塊。具體介紹如下：

圖2 選擇性低壓漏電保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)圖

1）STM32F103ZET6 主從控制器。將該控制器當(dāng)做干線主控制器，這樣可以實(shí)現(xiàn)：漏電保護(hù)系統(tǒng)零序電壓、轉(zhuǎn)換以及邏輯控制、采集零序電流信號量等。與此同時可以構(gòu)建主從控制器CanOpen 通信連接以及可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?/p>

2）零序電壓采樣單元。對于零序電壓采集而言，其主要實(shí)現(xiàn)對的采集。而電壓跟隨器能夠有效地增強(qiáng)阻抗匹配、電路隔離的能力。對于ADS7835 而言，其具有12 位的采樣精度，能夠在高度低能耗的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時間在2 ns。

3）零序電流采樣單元。該控制單元主要對每一個支路零序電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測監(jiān)測。其采集的電流信號依次經(jīng)過如下幾個單元：LEM 的CT 系列電流傳感器、低通濾波器、ADS7835、STM32103 F。

4）顯示及鍵盤單元。該系統(tǒng)顯示器型號選定為OCMJ4X8C，其主要用于顯示如下幾個參數(shù)：漏電裝置的運(yùn)行情況、設(shè)置的參數(shù)、故障信息。而相應(yīng)的鍵盤選擇為：2×2 防爆矩陣鍵盤。

5）執(zhí)行單元。該單元主要包括檢漏繼電器、脫扣器。其中，檢漏繼電器型號選擇為NGL1-400，其可以實(shí)現(xiàn)選擇性漏電跳閘以及相應(yīng)的漏電閉鎖功能。當(dāng)三相漏電處于不平衡的狀態(tài)時，并且各相動作靈敏度卻保持一致的狀態(tài)下，可以各自選擇對應(yīng)的漏電匹配指令。脫扣器對應(yīng)型號為RDMS L-125 M，假如所輸出的信號達(dá)到了設(shè)定值，那么這時可能觸發(fā)該脫扣器動作，從而使得牽引桿動作，最終使得機(jī)構(gòu)在非常短的時間內(nèi)斷開，從而實(shí)現(xiàn)電源的切換工作，進(jìn)而達(dá)到了漏電保護(hù)的作用。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對于漏電保護(hù)裝置的軟件而言，其采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，并且將其在主站和從站里面進(jìn)行軟件編程。通常將軟件模塊劃分為如下幾個方面：主控制單元；系統(tǒng)自檢與初始化單元；零序電壓檢測單元；絕緣電阻檢測單元；零序電流檢測單元；故障處理單元；鍵盤以及顯示單元；合閘/分閘單元等。下頁圖3表示主程序流程圖，其可以實(shí)現(xiàn)對主程序進(jìn)行監(jiān)測以及初始化、完成各個參數(shù)的檢測、分析以及判斷。最終通過調(diào)用各個子程序?qū)崿F(xiàn)對礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)作用。下頁圖4 表示相應(yīng)的支路對地的絕緣電阻的檢測流程圖。

圖3 主程序流程

圖4 絕緣電阻檢測流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該裝置能夠采集到的各個支路的初始零序電流，接著借助最小二乘矩陣束算法分析零序電流數(shù)據(jù)，從而能夠得到各個支路的直流量，最終可以得到各個支路對應(yīng)的絕緣電阻量，如表1 所示。通過分析表1 可以看出，支路1 處于單相的絕緣電阻計(jì)算值為0.455 kΩ，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3.5 kΩ，由此可以勘定支路1 處于單相漏電故障狀態(tài)。

表1 礦井低壓選擇性漏電保護(hù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）通過對礦井低壓電網(wǎng)漏電故障情況進(jìn)行分析可以看出，單相漏電故障支路對應(yīng)的相電壓與新產(chǎn)生的中性點(diǎn)電壓。由此可以判斷該支路處于漏電故障狀態(tài)。

2）該裝置的控制系統(tǒng)STM32F103 控制器，該裝置主要可以實(shí)現(xiàn)對低壓漏電保護(hù)裝置的控制以及進(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)。

3）通過對該裝置進(jìn)行試驗(yàn)分析可以看出，礦井低壓漏電保護(hù)裝置能夠滿足實(shí)驗(yàn)的需要，其在識別漏電故障方面能夠快速反應(yīng)，并且能夠高效地完成漏電保護(hù)控制，從而可以有效地避免重大安全發(fā)生事故。