礦用選擇性漏電保護開關關鍵技術研究

魏慧娟(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

礦用選擇性漏電保護開關關鍵技術研究

魏慧娟
(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

針對煤礦低壓電網漏電事故的防護問題，介紹了井下常用的漏電防護技術，從漏電支路檢測方法、漏電閉鎖值計算等方面研究了選擇性漏電防護原理，并對漏電保護硬件電路的組成及相關構造進行了設計。該研究成果對礦用選擇性漏電保護開關的維護和開發具有重要指導意義。

煤礦；選擇性漏電保護開關；硬件電路

煤礦井下環境復雜，巷道和采掘面內電氣、機械設備較多，且移動頻繁，容易造成各處電纜線絕緣層的破損，從而對井下操作人員產生漏電威脅。實際生產中，漏電故障約占井下電氣總故障發生率的50%以上，容易引起人身觸電，且觸電瞬間產生的電火花可能引發粉塵和瓦斯爆炸。另外，對于我國煤礦電網普遍采用的中性點不接地的接線方式，雖然有效減小了觸電電流，但也造成線路對地電壓增大，容易擊穿導線，造成相間短路，從而擴大事故影響范圍。

常見漏電故障分為集中漏電和分散性漏電兩種，其中分散性漏電是指較大長度范圍內導線的整體對地電阻降低，而集中漏電是指電纜線某一點位的對地絕緣性顯著下降，前者是電纜長期使用導致的絕緣層老化所致，后者由局部機械損壞引起，較為常見。為防止漏電造成人身觸電等傷害，要求井下低壓電網中安裝專用漏電保護開關，保證在發生漏電故障時及時切斷相關電源，本文將對此技術進行研究。

1 漏電防護技術

為防止井下漏電事故，保證煤炭生產的安全性和連續性，需要在井下電網系統中設置礦用漏電保護開關。漏電保護開關分為非選擇性保護和選擇性保護兩類：非選擇性漏電保護開關是指當系統檢測到線路發生漏電時，無論故障點出現在何處，皆切斷整個回路的供電，這種漏電保護裝置不具備選擇性，停電范圍大，因此較少使用，但可作為系統安全的備用設施；選擇性漏電保護開關是指通過特定的技術手段和算法對漏電故障支路進行定位，然后僅切斷故障支路供電，從而縮短故障處理時間、減小事故影響范圍。顯然，后者是保障煤礦安全用電的首選，但如何在設備的靈敏度和穩定性之間尋求平衡仍是當前研究的重點。

2 選擇性漏電保護原理

選擇性漏電保護技術的重點是采用相適應的漏電支路檢測方法，相關技術包括附加直流電源檢測法、零序電流/電壓檢測法、零序電流方向檢測法等。其中，零序電流方向檢測的準確度和穩定性都較好，本文所研究的選擇性漏電保護開關將采用這一技術。

2.1漏電支路檢測方法

井下供電網絡支路漏電模型見圖1.

圖1 井下供電網絡支路漏電模型圖

以上是對理想情況下的相位方向分析，而實際工況下，零序電流的相位方向還與線路特性等相關。假設圖1中各支路的對地電阻分別為R1、R2、R3，對地電容為C1、C2、C3，則各支路的零序電流表示如下：

(1)

(2)

(3)

因此，流過故障支路的零序電流為：

(4)

由式(4)可知，各支路的對地電阻和電容值也會影響線路中零序電流和電壓的相位差。而井下環境條件多變，線路的長短、老化程度和絕緣性等都隨之變化，此時各支路零序電流和零序電壓的相位差不再是90°. 漏電故障時線路中的零序電流和零序電壓向量圖見圖2.

圖2 漏電故障時線路中的零序電流和零序電壓向量圖

2.2漏電閉鎖電阻值計算

漏電閉鎖是井下線路漏電保護的另一重要措施，其原理是利用監測儀器對電網各支路進行不間斷的監控，當檢測到線路對地絕緣電阻下降到一定數值時，阻斷開關通電，實現漏電閉鎖，從而有效防止漏電線路得電及事故擴大。一般規定流過人體的安全電流小于30 mA·s，因此可將此作為線路最小絕緣電阻的計算依據。正常情況下，干燥的人體皮膚電阻值較高，可達10 kΩ，但當井下環境潮濕，體表有汗液時，人體的電阻值急劇降低至1 kΩ. 對于常用的660 V低壓電網，其絕緣電阻計算如下：

(5)

對于直流電網，各線路絕緣電阻為并聯關系，則漏電閉鎖電阻值為：

(6)

為最大程度保證用電安全，一般將漏電閉鎖的安全系數設置為2，即漏電閉鎖電阻值提高至計算值的2倍，為22 kΩ.

3 選擇性漏電保護開關硬件電路設計

3.1硬件電路總體設計

判斷選擇性漏電保護開關性能優良的關鍵是其穩定性和快速性。穩定性是指該開關對發生線路漏電故障的判斷，可保持較高的準確性；快速性是指該開關能夠在判斷發生漏電故障時，及時發出跳閘指令，保證人身安全。為滿足以上條件，本文所研究的選擇性漏電保護開關的硬件電路總體設計方案如下，見圖3.

圖3 選擇性漏電保護開關硬件電路總體設計方案圖

1) 為滿足穩定性要求，擬采用上述零序電流方向法進行漏電故障檢測，即通過對比各支路零序電流與母線零序電壓的相位差，判斷發生故障的支路。

2) 為滿足快速性要求，用于進行比相的零序電流和零序電壓的調制和比對過程應采用硬件電路實現，因為相關軟件的穩定性和反應速度明顯較低。

因此，選擇性漏電保護開關的電路結構主要由零序電流調制電路、零序電壓調制電路和相位比較電路3部分構成，最終驅動是否進行跳閘保護。其中，零序電流調制電路是對采集到的零序電流信號進行過零比較、積分、標準值對比等操作，最終得到用于比相的脈沖信號；零序電壓調制電路是對零序電壓信號進行移相、比較等操作，得到可用于比相的脈沖信號；而相位比較電路可對調制完成的零序電流和電壓信號進行相位比較。對于非故障支路，兩種輸入信號的相位相反，相互抵消，因此輸出信號表現為低電平或極窄的脈沖信號；而故障支路中，兩輸入信號相位相同，因此輸出信號為正向高強度脈沖信號。最后，將輸出的不同寬度的脈沖信號轉化為不同幅值的電壓信號，并與PLC給出的標準值進行對比，從而確定該支路是否發生漏電故障。

3.2信號調制電路

零序電流調制電流圖見圖4，零序電壓調制電流圖見5.

圖4 零序電流調制電流圖

圖4中電阻R9與二極管D5/6并聯后，對幅值較高的信號進行限流，從而保護比較器U3A和U3B. 以上兩比較器可分別對正/負值域內的零序電流信號進行過零比較處理。然后，利用上拉電阻R11、R12和積分電容C2、C3等，將過零比較后的信號轉變為鋸齒波形，再與參考值進行比較，最后輸出調制后的用于比相的信號。

圖5中移相電路部分由集成運算放大器U1A，電阻R1、R2、R3，電容C1組成，而比較器U2A、U1B主要對移相后的零序電壓進行過零比較。U01和U02為最終輸出的用于比相的電壓信號。

3.3相位比較電路

零序電壓和電流信號經調制后變為統一的方波形式，在相位比較電路中，首先對U01和I01、U02和I02進行“與門”操作，再經U5A“或門”將信號轉變為周期性的脈沖信號Us.由R22、R24和Q1組成的開關器可檢測脈沖信號Us的電平高低，并據此控制三極管Q1的導通和積分電容C4的放電情況。U7C為電壓比較器，負責將脈沖信號積分后的電壓與PLC輸出的標準電壓進行對比，當前者較大時，U7C輸出一個較高的電平，則電路保持暢通，反之，相位比較電路輸出Uout高電平，使線路開關跳閘。相位比較電路圖見圖6.

圖6 相位比較電路圖

4 結 論

針對煤礦低壓電網漏電事故的防護問題，本文介紹了井下常用的漏電防護技術，研究了選擇性漏電防護原理，包括漏電支路檢測方法、漏電閉鎖值計算，及漏電保護硬件電路的組成及相關構造等，本文研究成果對礦用選擇性漏電保護開關的維護和開發具有重要指導意義。

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ResearchonKeyTechnologiesofSelectiveLeakageProtectionSwitchforCoalMine

WEIHuijuan

In order to solve the problem of leakage protection in low voltage power network in coal mines underground, the paper presents the leakage protection technology commonly used and studies the principle of selective leakage protection, including branch-leakage detection method and setting current leakage lock. Hardware composition and related circuit structure were redesigned. The research results are of great significance to the maintenance and development for underground selective leakage protection switch.

Coal mine; Selective leakage protection switch; Hardware Circuit

·試驗研究·

2017-07-03

魏慧娟(1966—)，女，山西定襄人，2016年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦綜采工作面機電安裝設計方面的工作(E-mail)tzzdrzdr@163.com

TD611+.5

B

1672-0652(2017)10-0016-04