礦井低壓電網漏電故障分析與檢測電路設計

劉 理 云

(婁底職業技術學院 電子信息工程系, 湖南 婁底 417000)

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礦井低壓電網漏電故障分析與檢測電路設計

劉 理 云

(婁底職業技術學院 電子信息工程系, 湖南 婁底 417000)

由于我國礦井電網廣泛采用中性點不接地，漏電故障占其總故障的70%左右，井下漏電故障直接影響產礦企業的正常生產和經濟效益。文章分析了井下低壓電網漏電故障，利用附加直流源漏電保護原理，零序電壓、零序電流及相位比較漏電保護原理，設計實用檢測電路，并分析其工作原理，進行實驗驗證。

故障分析； 檢測電路設計； 礦井電網； 漏電故障

0 引 言

由于我國礦井電網廣泛采用中性點不接地，漏電故障占其總故障的70%左右。井下漏電故障不但會損壞電氣設備，導致人身觸電，而且還會形成單相接地故障，進而發展成為相間短路故障，由此引發的電弧還可能造成瓦斯和煤塵爆炸，電雷管提前引爆等重大事故，直接影響到產礦企業的正常生產和經濟效益。利用各種檢測技術，設計可靠的檢測電路，準確及時地檢測出漏電故障，切斷漏電電路，能夠確保人身、電氣設備安全，減少因漏電引起的瓦斯、煤塵爆炸，從而提高產礦企業的經濟效益[1]。

1 井下低壓電網漏電故障分析

根據電工理論分析可知，在正常狀態下發生三相對稱性漏電時，電網各相對地電壓就是電源的相電壓，是對稱的，因而變壓器中性點對地的電壓U0為零[2],即“地”與變壓器中性點之間沒有電位差，當然，此時也就沒有零序電壓和零序電流。所謂零序電壓，是在故障點出現的三個大小相等，相位相同的電壓，它們分別作用在三相電網的每一相上。由于零序電壓的存在,必然要在由絕緣電阻構成的零序回路中產生三個大小相等、相位相同的零序電流[3-8]。

當發生單相漏電故障時，各相的對地阻抗大小不再相同，各相的對地電壓也就不再對稱，變壓器中性點與地之間便有了電位差U0，也就是故障點所出現的零序電壓，在三相電網對地阻抗上產生零序電流I0[2]。由于變壓器中性點與地之間沒有零序電流通路，所以，變壓器線圈內部不會有零序電流，零序電流只能在絕緣阻抗點 N 和故障點 M 段流過，如圖1所示。因此，如果在該供電系統的電源端裝設零序電流互感器，是不可能反應出故障的。至于零序電壓的分布規律，如果忽略三相電網中零序阻抗壓降的影響，那么，在電網的任何地方對地的零序電壓都是U0[3-8]。

圖1 單支路電網漏電零序電壓和零序電流的分布

井下低壓電網模型如圖2所示。如果某一個支路發生了非對稱性漏電故障，由于零序電壓的存在，各個分支線路中都將有零序電流通過，而漏電電流便等于這些分支線路中的零序電流之和[2]。從電源的母線端往外看，通過故障支路的零序電流不僅大小而且方向都和非故障支路不同。故障支路的零序電流是非故障支路零序電流之和，而其它非故障支路的零序電流只流過本支路的零序電流，根據它們的大小不同可以區分故障支路和非故障支路。此外，故障支路零序電

流方向是流向母線，其零序電流滯后零序電壓90°～180°，而非故障支路則是由母線流向支路，其零序電流超前零序電壓0°～90°，它們的方向不同，根據它們的方向不同可以區分故障支路和非故障支路[1-8]。

圖2 井下低壓電網模型圖

2 漏電檢測電路設計

2.1 對稱性漏電檢測電路設計

由于發生三相對稱性漏電時，三相電網仍然對稱，沒有零序電壓和零序電流，故依據附加直流源法設計一對稱性漏電檢測電路如圖3所示[4-6]。

圖3 附加直流源對稱性漏電檢測電路

電網對地絕緣阻抗Rld是R和C的并聯；三相電抗器SK對交流相當于開路，對直流相當于短路；因此，對于直流來說，忽略SK的電阻，雙T濾波器阻抗RTT與Rld串聯后，再與R2并聯[9-11]。則A點電壓為：

由于R1、R2、RTT是固定的，A點電位取決于電網對地絕緣阻抗，因此只需檢測A點的直流電壓大小即可分析電網對地絕緣情況。從A點獲得漏電信息后，經過驅動電路驅動，低通濾波濾除干擾信號，經線性光耦隔離后送入 A/D 前端進行采樣。但漏電電阻與給A/D前端的采樣電壓不成線性關系，必須通過反復實驗測試進行校定，做成數據表，供控制部分使用[13-15]。

當電網對地阻抗不對稱時，變壓器中性點對地便會出現電位差，即零序電壓。該零序電壓必然要加在三相電抗器 SK 的人為中性點與地之間。如果沒有很好的濾波裝置，就會直接作用到直流檢測回路，并在采樣電阻上產生壓降，從而會造成A點出現錯誤的漏電信息。我國電網的交流頻率是50 Hz，在電路中設計了一個50 Hz的雙T帶阻濾波器，由RT1、RT2、RT3 和 CT1、CT2、CT3 組成，他既能讓直流電流通過，同時又將50HZ的交流電壓干擾衰減到最小[8,10]。

電網在實際運行中很可能會被變頻器等設備干擾而產生雜波分量，這些雜波分量如果不加以濾除也將會影響檢漏裝置檢漏的可靠性，因此我們在采樣電阻后級加入了多重反饋有源低通濾波器，達到通過直流，濾去雜波分量的效果。

在設計時充分考慮到了數字部分和模擬部分的電磁兼容問題，為了減少干擾，確保檢測結果的準確性，在低通濾波后加了以高線性度、高靈敏度光耦HCRN200 為核心的線性光耦隔離電路[12-13]。

2.2 非對稱性漏電檢測電路設計

多分支電網的某一支路發生了非對稱性漏電時，故障支路的零序電流是非故障支路零序電流之和，而其他非故障支路只流過本支路的零序電流；此外，故障支路零序電流方向是流向母線，其零序電流滯后零序電壓90°～180°，而非故障支路則是由母線流向支路，其零序電流超前零序電壓0°～90°；根據這兩個特點，通過判斷零序電流幅值和比較零序電流與零序電壓的相位，設計一非對稱性漏電檢測電路見圖4[1-5]。

圖4 非對稱漏電檢測電路

零序電壓是通過在三相電抗器的人為中性點上接電阻獲得，通過無源濾波衰減后，再經50 Hz有源帶通濾波、移相、方波整形、線性光耦隔離與零序電流信號相與，得到一脈沖信號，通過測量脈沖信號脈寬可判斷是否發生漏電。零序電流的獲取是通過在三相線上套入零序電流互感器獲得的電壓信號，為了提高檢測零序電流靈敏度，通過零序電流互感器獲得的電壓信號必須經過放大，再經低通濾波后分為兩路，一路通過移相、方波整形、光耦隔離與零序電壓脈沖信號相加，另一路通過精密整流，線性光耦隔離送入A/D 采樣單元，根據零序電流的大小可判斷是否發生漏電[3-8]。

在檢測零序電流時，是利用零序電流互感器來檢測三相的電流矢量和，即零序電流 I0，IA+IB+IC=I0，根據基爾霍夫電流定律：流入電路中任一節點的復電流的代數和等于零。在線路與電氣設備正常的情況下，各相電流的矢量和等于零，因此，當電網正常運行時，零序電流互感器的二次側繞組無信號輸出。當發生漏電故障時的各相電流的矢量和不為零，故障電流使零序電流互感器的環形鐵芯中產生磁通，零序電流互感器的二次側便會感應出零序電流，通過在零序電流互感器的二次側接入采樣電阻，使電流信號變為電壓信號[11]。通過在零序電流互感器感應側空載、接多種負載試驗，得出當負載為 1.98 kΩ時，輸入側電流和輸出側感應電壓的線性度最好[9-10]。

如果發生接地漏電故障，三相電抗器人為中性點上的零序電壓幅值很大，遠遠大于運算放大器所能承受的電壓范圍，經R1、R2、R3、C1構成的無源RC網絡后，既可有效濾去電網直流分量，同時對 50 Hz 的交流分量衰減了 200 倍，幅值控制在后級運算放大器的正常輸出信號幅值以內。為了加強設備的抗干擾性能，我們在獲取零序電壓信號后，加入 50 Hz帶通濾波器濾除其余頻段上的諧波分量[8，10，14-16]。

故障支路的零序電流方向是流向母線的，其零序電流滯后零序電壓90°～180°，而非故障支路則是由母線流向支路，其零序電流超前零序電壓0°～90°。我們選擇給零序電流反相，零序電壓相位前移 0°～90°，這樣，無論是故障支路還是非故障支路，零序電流與零序電壓的相位差控制在0°～90°內，然后把零序電壓信號和零序電流信號通過線與，獲得一脈沖信號，通過測量脈沖信號的脈寬可判斷是否發生漏電[8-10,15]。

3 實驗結論

對稱性漏電檢測電路試驗時，在三相電網與地之間接上變阻器模擬漏電電阻，當漏電電阻在0～∞變化時，A點電壓在-4.25～-0.92 V變化。雙T濾波器中，取RT1=RT2=2RT3=10 kΩ，CT1=CT2=0.5CT3=0.33 μF，通過 Pspice 仿真，其頻響特性如圖5所示，可見其可以很好的濾除 50 Hz基頻分量。可見，根據OUT1端輸出的電壓信號大小可以判斷出對稱性漏電電阻。

圖5 雙T濾波器頻響特性圖

非對稱性漏電檢測電路中，50 Hz帶通濾波器通過Pspice 仿真，其頻響特性如圖6所示。有源移相電路中，當R9(R21)分別為100，10，1 kΩ時，通過 spice 對該電路進行仿真結果如圖7所示，可見該電路在保證信號幅值不變的條件下，實現相位在 0～180°的相移。

利用仿真軟件Multisim9進行模擬，零序電壓與零序電流通過線與鑒相后的波形如圖8、圖9所示。可見故障支路所檢測到的鑒相輸出方波高電平周期比非故障支路的要寬。

在A相接變阻器模擬非對稱性漏電，測得電阻與零序電流關系如表1所示。

圖6 50 Hz帶通濾波器頻響特性圖

圖7 有源 RC 移相電路移相波形圖

圖9 非故障支路零序電壓、電流及比相輸出波形 表1 漏電電阻與零序電流關系

外接電阻/kΩ零序電流/mA外接電阻/kΩ零序電流/mA1.6103151254030710214051215

可見，根據比相后輸出的矩形波高電平的寬窄及零序電流大小可判斷出漏電支路。

4 結 語

利用附加直流源法判斷對稱性漏電，通過比較零序電壓與零序電流的相位及零序電流的大小，找出非稱性漏電中的漏電支路。

[1] 宋建成，翟生勤，范世民，等. 礦井低壓電網漏電保護技術的發展[J]. 電網技術, 2001,25(10): 58-62.

[2] 胡翔駿.電路分析 [M] .北京：高等教育出版社,2001.

[3] 高 彥，王念彬，王彥文. 基于零序功率方向選擇性漏電保護系統的研究[J]. 煤炭科學技術, 2005, 33(11): 43-45, 48.

[4] 陳 奎，陳士軍，唐 軼. 礦山電網漏電保護的研究[J]. 電工技術雜志, 2004(11): 61-64.

[5] 李國順，張長勇，張鵬程，等. 礦井電網選擇性漏電保護實用電路的研究[J]. 煤炭工程, 2010, (2): 92-94.

[6] 賀 鵬.煤礦井下漏電保護技術研究[D].西安：西安電子科技大學,2011.

[7] 方 威.礦井供電系統選擇性漏電保護理論及其應用研究[D].鎮江：江蘇大學,2009.

[8] 梁翼龍,孟潤泉.井下高壓電網智能化綜合保護系統的研究[J].煤礦機電,2004(2):7-10.

[9] 童詩白,華成英. 模擬電子技術基礎[M].北京： 高等教育出版社,2001.

[10] 康華光.電子技術基礎 [M] .北京：高等教育出版社,2000.

[11] 崔文強，張星榮，李安平，等. 煤礦掘進工作面供電系統選擇性漏電保護的實現[J]. 繼電器, 2001, 29(6): 28-30.

[12] 張 興. 礦井高壓供電系統選擇性漏電保護裝置研究[D]. 阜新：遼寧工程技術大學, 2006.

[13] 程開富. 光電耦合器的發展及應用[J]. 國外電子元器件, 2002(1): 64-66.

[14] 張洪潤.傳感器應用設計300例[M] .北京：北京航空航天大學出版社,2008.

[15] 張 亮，李應輝，劉永智，等. 高壓隔離高線性度光電耦合器[J]. 半導體光電, 2004,25(4): 264-267.

[16] 宋建成，謝恒坤，楊同敏，等.基于零序電流方向的選擇性漏電保護系統的研究[J].電網技術,1998(9):53-56.

The Fault Analysis and Detection Circuit Design of Low-voltage Power Network Leakage in Mine

LIULi-yun

(Electron Information Engineer Department, Loudi Vocational & Technical College, Loudi 417000, China)

In mine power network, about 70% of total failures are resulted by the leakage fault, because the non neutral grounding is widely used in our country. This directly influences normal production and economic benefit of mine enterprises. By analyzing the leakage fault of mine low voltage power network and using the principle of additional DC source leakage protection, zero sequence voltage, zero sequence current and phase comparison leakage protection, a practical detection circuit is designed and its working principle is analyzed, Experiment verifies its effects.

fault analysis; design of detection circuit; mine powergrid; electric leakage fault

2014-09-18

湖南省科技廳(2014SK3227)

劉理云(1975-),男，湖南婁底人，副教授，主要從事應用電子技術、儀器儀表、自動控制研究。

TD 611+.5

A

1006-7167(2015)05-0119-04

Tel.：18373860098; E-Mail:liuliyun1975@163.com