基于復(fù)合信號注入法的煤礦低壓漏電保護

李婧帆

（潞安集團古城煤礦建設(shè)管理處，山西 長治 046108）

0 引言

煤礦供電系統(tǒng)漏電保護屬于煤礦安全生產(chǎn)的重要保護之一，對礦井設(shè)備的穩(wěn)定運行以及人員生命安全起著至關(guān)重要的作用[1]。煤礦井下低壓供電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，系統(tǒng)故障絕大多數(shù)為單相漏電故障，該故障雖然不會破壞系統(tǒng)的對稱運行，但極易發(fā)生兩相短路，在井下高瓦斯、通風(fēng)條件差等惡略條件下，極易對人身安全和礦井安全生產(chǎn)造成威脅[1,2]。我國《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定：煤礦井下低壓饋電線上必須裝設(shè)檢漏保護裝置或者有選擇性的漏電保護裝置，保證自動切斷漏電的饋電線路[3]。礦井低壓供電系統(tǒng)漏電保護主要以選擇性漏電保護為主，即電流通過供電線路產(chǎn)生的零序電流進行選擇性跳閘和開關(guān)閉鎖。然而，低壓線路的局限性造成零序電流的監(jiān)測和線路選擇性漏電保護實施比較困難，容易出現(xiàn)漏電保護的選擇性錯誤，對低壓系統(tǒng)的正常運行造成影響。

1 煤礦低壓漏電保護選擇性失效原因

低壓漏電保護選擇性不好的根本原因在于低壓供電系統(tǒng)太小，電纜截面積較小，線路較短，分布電容比較小[1,4]。因此對分開關(guān)線路總長較短的低壓系統(tǒng)，發(fā)生單相接地時，產(chǎn)生零序電流特別小，無法定量進行分析，造成選線失靈（現(xiàn)場已經(jīng)試驗數(shù)據(jù)證明：線路特別短的分開關(guān)在按下分開漏電試驗按鈕時產(chǎn)生的零序電流有的不超過8個毫安，這對于低壓漏電保護來說，信號太弱，零序電流信號容易發(fā)生畸變）。低壓開關(guān)附帶的負載大部分是電機等感性負載，在系統(tǒng)發(fā)生漏電時，電纜對地分布電容產(chǎn)生的容性電流受系統(tǒng)感性負載的影響。當(dāng)感性負載產(chǎn)生的電流大于容性電流時，低壓開關(guān)的保護器監(jiān)測到的漏電電流實際是感性電流，其方向正好與容性電流方向相反。當(dāng)容性電流大于感性電流時，低壓開關(guān)的保護器監(jiān)測到的漏電電流實際是容性電流，而且容性電流大小與系統(tǒng)的對地分布電容有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)容性電流接近感性電流時，低壓開關(guān)的保護器監(jiān)測的零序電流很小，導(dǎo)致功率方向型漏電保護失效（可能誤動或者拒動）。

2 復(fù)合信號注入法的基本原理

與高壓漏電保護相比，低壓漏電有更加有利的條件：①低壓沒有消弧線圈，一般都是不接地系統(tǒng)，接地線路與非接地線路可通過零序電流方向判定，接地線路產(chǎn)生的零序電流方向是由線路流向母線，非接地線路產(chǎn)生的零序電流方向是由母線流向線路，可以通過零序電流的方向來區(qū)分故障線路和非故障線路（分開漏電采用功率方向型漏電保護）。②低壓系統(tǒng)僅限制在移變后面的電網(wǎng)，系統(tǒng)簡單，總開關(guān)與分開關(guān)具有一定的上下級關(guān)系，對于漏電電流而言，總開關(guān)與分路開關(guān)之間存在時限配合，容易分析實現(xiàn)低壓漏電的選擇性，不會發(fā)生誤動現(xiàn)象。基于低壓漏電保護選擇性失效原因，以及與高壓漏電保護對比存在的優(yōu)越性，本文提出了采用復(fù)合信號注入法的低壓漏電保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)考慮了低壓供電系統(tǒng)漏電的所有可能性，即總開線路漏電和分開線路漏電，在總開關(guān)內(nèi)部設(shè)定低壓保護器對整個低壓系統(tǒng)進行漏電保護控制，保證了設(shè)備的正常運行，避免了越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，并且遵循《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定設(shè)定了線路漏電的選擇性保護，復(fù)合信號注入顧名思義采用附加直流信號和附加交流信號對低壓系統(tǒng)進行綜合漏電保護，基本思想是將附加直流電源漏電保護法與附加交流信號選擇性漏電保護方法進行融合，實現(xiàn)煤礦低壓供電系統(tǒng)的總開關(guān)與分開線路的漏電保護。對于低壓供電系統(tǒng)來說，中性點一般不接地，三相對地的絕緣電阻值比較容易監(jiān)測，如果在電網(wǎng)開關(guān)合閘后對電網(wǎng)附加直流信號，該信號通過三相對地產(chǎn)生的電流大小直接反應(yīng)了絕緣電阻值的大小，通過判斷電阻值是否小于動作值來實現(xiàn)漏電保護。非接地線路的零序電流方向是由母線流向線路，這樣就可以實現(xiàn)對線路漏電的選擇性檢測，為了提高選擇性漏電保護的準確性，對低壓系統(tǒng)的分開關(guān)附加交流信號，如果線路未發(fā)生漏電接地現(xiàn)象，線路三相電壓對稱，三相電流矢量和為0，而線路存在接地現(xiàn)象，線路三相電路會形成零序電流和零序電壓，分別監(jiān)測三相的功率方向是否在工作區(qū)，以此達到對分開線路選擇性檢測的目的。

3 復(fù)合信號注入法低壓漏電保護

復(fù)合信號法低壓漏電保護系統(tǒng)構(gòu)建，見圖1和圖2，復(fù)合信號由總開關(guān)內(nèi)部注入，實現(xiàn)對整個線路的漏電保護和檢測。系統(tǒng)主要由礦用低壓保護器、交流信號發(fā)生器、信號注入控制部件和附加直流絕緣檢測回路組成，其中附加直流絕緣檢測回路設(shè)置在總開關(guān)三相線路上，礦用低壓保護器對整個漏電系統(tǒng)進行控制并且發(fā)出啟動信號命令。總開關(guān)采用附加直流，實現(xiàn)合閘前的漏電閉鎖和運行中帶延時的漏電保護。總開關(guān)內(nèi)設(shè)置低壓綜保啟動低壓信號注入裝置，分開關(guān)采用注入裝置注入的交流信號，實現(xiàn)合閘前的漏電閉鎖和可靠的選擇性漏電保護。總開關(guān)對整個系統(tǒng)進行整體監(jiān)測調(diào)控，分開關(guān)接收總開關(guān)信號進行分線路的開關(guān)閉鎖，其中總開關(guān)內(nèi)部的低壓保護器對整個供電系統(tǒng)進行命令輸出，避免了上下級漏電保護同時運行發(fā)生的越級跳閘現(xiàn)象，對設(shè)備造成損傷。

具體實施如下：

1）采用復(fù)合信號注入法的低壓漏電保護，在總開關(guān)合閘前可以實現(xiàn)系統(tǒng)的漏電閉鎖，在總開關(guān)合閘后注入附加直流電源對系統(tǒng)進行絕緣監(jiān)測，附加直流信號通過三相對地絕緣電阻的電流大小，直接反應(yīng)了絕緣電阻的高低，如果絕緣電阻的監(jiān)測結(jié)果低于動作值，系統(tǒng)將會停止供電，實現(xiàn)漏電保護。

2）當(dāng)分開線路發(fā)生漏電事件，會造成線路三相對稱電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生零序電壓和零序電流，當(dāng)總開中的低壓保護器檢測到零序電壓超限時，保護器向交流信號發(fā)生器發(fā)出啟動信號，向供電系統(tǒng)中注入附加交流信號。

3）低壓保護器對分開線路注入的交流信號進行分開監(jiān)測，保護器對反饋信號進行閾值選擇，發(fā)生漏電的線路產(chǎn)生的零序電壓和零序電流的功率方向會被保護器分配到動作區(qū)，而非故障線路的零序電壓和零序電流的功率方向角在非動作區(qū)。

4）通過閾值選擇，對動作區(qū)故障線路發(fā)出漏電保護動作，發(fā)出跳閘命令，切除故障，而在飛動作區(qū)非故障線路，系統(tǒng)不作出反映。

5）在整個過程中，總開對整個線路實施全程監(jiān)測，待系統(tǒng)零序電壓消失后，礦用低壓保護器向交流信號發(fā)生器發(fā)出切除交流信號命令，切除總開交流信號注入，系統(tǒng)供電恢復(fù)正常。

圖1 復(fù)合信號注入法系統(tǒng)構(gòu)建

圖2 總開關(guān)內(nèi)部示意圖

4 結(jié) 論

基于復(fù)合信號注入法的煤礦低壓漏電保護，實現(xiàn)了低壓供電系統(tǒng)的分開漏電保護，即總開關(guān)附加直流漏電保護和分開附加交流漏電保護。對于煤礦低壓系統(tǒng)非接地線路來說，向系統(tǒng)注入附加交流信號，通過判斷線路產(chǎn)生的零序電流和零序功率方向?qū)收暇€路和非故障線路進行區(qū)分，提高了漏電選擇性保護的準確度，而低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡單，也提高了低壓漏電選擇性的分析水平。除此之外，整個漏電保護系統(tǒng)由總開關(guān)內(nèi)的低壓保護器為控制中心，避免了上下級保護同時啟動發(fā)生的越級跳閘現(xiàn)象，維護了整個低壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。