煤礦井下低壓供電系統漏電保護及分析

年 魁

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

漏電保護是為了保證煤礦井下供電安全的三大保護之一，所謂三大保護即保護接地、過流保護和漏電保護。煤礦安全規程中明確規定：在井下低壓饋電線上，應該裝備帶有漏電閉鎖功能的保護裝置或則是應該裝備帶有選擇性的保護裝置[1]。煤礦井下環境惡劣、空氣潮濕，相對濕度高達90%以上，這些都對在如此惡劣條件下運行的電氣設備的絕緣問題提出了非常特殊的要求。而輸電電纜又是其中最為薄弱的環節，還經常會出現漏電等故障，漏電不僅可以導致電氣設備的損壞，而且還可能帶來人身觸電和煤塵、瓦斯爆炸等危險。因此，井下電網必須配備漏電保護裝置。

1 低壓電網漏電故障特征

一般來說，對井下低壓電網的漏電保護裝置要求如下[2]：①當井下低壓電網對地絕緣電阻低到一定程度時，必須及時動作，切斷電源或者應將電源開關閉鎖起來，防止其合閘送電，使事故擴大；②動作必須靈敏且可靠，既不允許拒動，也不允許誤動；③具有漏電跳閘和漏電閉鎖雙重功能，能連續監視被保護電網的絕緣狀態；④反映要快，應能夠滿足30mA·s的要求。

由于變壓器中性點直接接地方式在煤礦井下使用過程存在較多問題，因此，煤礦安全規程中明確規定：井下配電變壓器禁止中性點直接接地，并禁止由地面上中性點接地的變壓器或發電機直接向井下供電。下面介紹采用變壓器中性點絕緣方式供電的低壓電網在發生漏電時的故障特征[3]。

圖1 供電系統圖

1.1 忽略電網對地電容

在電纜總長度比較短的條件下，電網的對地電容值不大，電容電流很小，可以忽略。此時計算人身觸電電流和單相接地電流時，可以只考慮電網對地絕緣電阻的影響，供電系統如圖1所示。

（2）如果人身觸及某相（如A相），通過人身的電流將經過其它兩相的絕緣電阻rB和rC構成通路，此時，A相的絕緣電阻rA與人身電阻RR并聯，該相對地電阻變成：

此時，電網對地電壓和電流將發生變化，各相對地電壓不再平衡，隨之各相絕緣電阻中流過的電流也不再相同，變成：

根據電流定律：

即：

當rA=rB=rC=r時，上式變為：

而

3)預制光纜兩端由密封帽或密封套管保護，敷設時不能打開，敷設到柜內，安裝時再打開密封帽或密封套管并找到對應的安裝位置固定。

所以：

代入得人身觸電電流為：

（3）如果發生了單相接地故障（如A相），通過接地點的電流就是單相接地電流。與人身觸電電流一樣，只是A相的絕緣電阻rA被故障點短接起來，因此只需令RR=0即可。結果為：

（4）絕緣電阻不對稱時：

人身觸及某相（如A相）后，人身觸電電流為：

其有效值為：

1.2 考慮電網對地電容

當電纜線路較長時，對地電容較大，電容電流便不能忽略。因此在計算人身觸電電流和單相接地電流時，除絕緣電阻外，還必須考慮電容的影響。此時，人身觸電電流的絕對值為：

式中：Z0—電網每相的零序阻抗；C—電網每相對地電容。由圖可以看出，在電網對地電容數值較大的情況下，人身觸電電流的主要成分是電容電流，此時提高絕緣電阻值，不但不能使人身觸電電流值減小，還有增大的危險。

2 附加直流電源檢測原理

漏電保護是饋電開關必備的保護，作用有兩點：一是在電網投入運行前，對電網的絕緣水平進行檢測，當電網對地絕緣電阻下降到規定值時閉鎖合閘回路，阻止電網投入運行；二是在運行過程中檢測電網對地絕緣電阻，一旦電阻值降到規定值，則立即斷開電源，停止供電。

漏電保護的方法很多，從保護的原理上看不外乎有以下幾種：附加直流電源檢測原理、零序電壓保護原理、零序電流保護原理及零序電流方向保護原理。本文重點介紹采用附加直流電源檢測原理，詳細介紹如下：

圖2 附加直流電源檢測原理圖

附加直流電源檢測原理是利用附加在電網與地之間的直流電源來檢測電網是否發生漏電故障。電網正常運行時絕緣水平很高，附加直流檢測回路的電流很小，不足以使保護裝置動作，當絕緣水平下降或漏電時，直流電流增大，保護動作。該保護原理可以可靠地檢測單相及三相漏電故障，是實現礦井電網漏電保護的有效方案之一。其原理如圖2所示。

直流電流I由直流電源U的正極流出，入 “地”后經絕緣電阻rA、rB和rC進入三相電網，再由三相電抗器SK、零序電抗器LK、千歐表kΩ和直流繼電器J，返回電源負極。對于穩定的直流電流，電容器C和電網對地電容CA、CB和CC相當于開路，不會有電流流過。此時直流電流I的計算：

式中：R∑—檢漏繼電器內阻；相當于三相電網每相對地的絕緣電阻并聯，若其中一相（如A相）絕緣電阻降低，另外兩相無限大，則=rA；若A、B兩相的絕緣電阻同時降低，且rA=rB=r，而另一相為無限大，則=r/2；若三相絕緣電阻同時下降，且rA=rB=rC=r，則=r/3。

絕緣動作電阻值的大小，可根據安全要求來確定，這樣就可以確定繼電器的動作電流Idz。當絕緣電阻下降到一定程度或電網發生漏電故障時，電流I將大于或等于繼電器的動作電流Idz，繼電器便動作。

在系統中應用時，直流電源U由直流產生電路提供，其電壓值基本恒定。這樣，電網的絕緣狀況可以通過電位器R6上的電壓來反應，檢測此電位器上的電壓UL，即可得到電網絕緣狀況。電壓UL和電網絕緣電阻的關系見式：

3 漏電閉鎖電阻值與動作值的確定

漏電閉鎖電阻值是根據漏電動作電阻值確定的，而漏電動作電阻值的確定是以保證人身觸電的安全性為前提的。

煤礦安全規程規定我國煤礦井下人身觸電安全電流值為30mA[4]。假設rA=rB=rC=r，在不考慮電網電容的情況下，計算得：在660V供電電壓下，流過人體電流按30mA計算，便可確定出允許的電網最小漏電電阻值為：

考慮到三相電網的漏電電阻對直流而言為并聯通路，則漏電動作電阻值為：

實際采用11kΩ。一般三相絕緣并非對稱下降，當一相絕緣電阻降低為r，而其余兩相仍為無限大時，人身觸電電流要大于30mA，為了尋求人身觸電的安全條件及維護低壓電網多支路正常運行，一般取漏電閉鎖電阻值為漏電動作值的2倍，即22kΩ。同理可得1140V電網的漏電閉鎖電阻值為40kΩ。該保護系統適用于660V和1140V兩種電壓，因此，需選擇不同的漏電閉鎖值（660V為22kΩ；1140V為40kΩ），通過在程序中設置不同的比較值來實現。

4 結束語

漏電保護是煤礦井下電氣上的三大保護之一，深人地研究電網漏電機理和漏電保護原理，提高井下漏電保護的技術水平，對確保煤礦用電安全和加速我國現代化礦井的建設有重要意義。

[1]中華人民共和國能源部制定.煤礦安全程[S].1992.

[2]趙全福，等.電氣安全技術[M].北京：煤炭工業出版社，1992.

[3]胡天祿.礦井電網的漏電保護[M].北京：煤炭工業出版社，1987.

[4]Paul B.COMMINGS,Protection of induction motors against unbalanced voltage operation,IEEE Trans.On Ind.Appl.Vol.IA-21,No.4,May/Jane.1985.