礦山低壓絕緣監測系統的應用研究

邵長鋒

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

0 前言

當前，在礦山的井下經常由于巖石的碰撞及水的浸漬，電氣設備外殼及電纜外皮較易受損，使絕緣水平降低或破壞，導致漏電故障發生，危及人身安全或設備損壞，對有可燃、易爆氣體的礦井，還會引起燃燒和爆炸事故。

為了在漏電事故發生后，避免對人身、設備的危害及爆炸事故的發生，有色礦山井下低壓配電IT系統均應裝設絕緣監視裝置，當絕緣下降至整定值時，應由絕緣監視器發出可聽、可見信號。在有色礦山行業很長一段時間內，系統發生單相接地故障時只能靠人工逐一斷開負載回路來排查故障，不僅耗時費力，還會破壞設備供電的連續性，另外頻繁開斷開關也可能會引起系統操作過電壓，降低開關壽命[1]。

隨著國內智能礦山建設的需要，針對有色礦山井下低壓供電系統，有必要研究設計出一種集故障定位低壓絕緣監測、電量監測、環境監測、遠程停送電等功能于一體的多功能低壓絕緣監測系統。該系統不僅在設備或電纜發生接地故障時立即報警并定位故障點，保證正常生產和人員安全，而且還可以采集電能信號、變電所環境監測信號以及遠程控制低壓開關的合分閘，并可將監控信息通過工業以太網接入全礦的綜合管控平臺，實現整個低壓配電系統的遠程監控。

1 常用的低壓絕緣監測方法

在有色礦山井下低壓配電IT系統中，廣泛采用在低壓配電設備上分散就地安裝檢漏繼電器或其他型式的絕緣監視模塊，對供電安全有一定的作用，但是也存在一些不足之處。這些就地安裝的檢漏繼電器或絕緣監視模塊通常由低壓配電設備廠家配套提供，功能單一，與礦山網絡之間缺少統一規劃性，相當一部分用戶只能在低壓配電設備現場查看系統絕緣情況，不利于礦山安全運行。

對于井下低壓配電系統的絕緣監測，通常采用如下幾種方法：

(1)采用檢漏繼電器法

檢漏繼電器常用的有JJKY-30型和JY82型。

JJKY-30型檢漏繼電器是專門為低壓配電設備配套而研制的產品，既可以單獨使用，也可以與低壓選漏裝置配套使用，適用于井下低壓配電IT系統，分為1 140 V、660 V、380 V、127 V四個電壓等級。

JY82型檢漏繼電器適用于交流電壓至660 V或更高的TN、TT、和IT系統。JY82型檢漏繼電器通過零序電流互感器檢測出超過整定值的零序(剩余)漏電電流。該繼電器可與帶分勵脫扣器或失壓脫扣器的斷路器、交流接觸器、磁力啟動器等組成漏電保護裝置，作漏電和觸電保護之用，可配備蜂鳴器、信號燈等各種聲光器件組成漏電報警裝置。

(2)采用注入特殊信號法

針對井下低壓配電網絡的特點，用于井下絕緣監測的注入特殊信號法主要包括：附加直流電源信號注入法、工頻檢測法及附加低頻信號注入法。

附加直流電源信號注入法可以檢測出井下電網對地的并聯電阻值，但它只能檢測電纜對地的絕緣電阻，卻不能有效的檢測出它們對地的分布電容[2]，因此，此種方法無法反映絕緣的真實情況。

工頻檢測法是在低壓電網中加入與井下電網頻率一致的低壓交流電壓。這種方法的優點是不用附加其它檢測電源，即可檢測出電網設備的絕緣電阻值和分布電容值。工頻法檢測方法十分簡單，缺點是靈敏度低、檢測誤差較大[3]。

針對于附加直流電源信號注入法和工頻檢測法的不足，目前有色礦山井下絕緣監測裝置多采用附加低頻信號注入法進行電網絕緣電阻檢測，該方法可以有效地對井下電網絕緣的狀況進行在線監測。

附加低頻信號注入法的基本原理是在三相交流電網中附加一個低頻電源信號。低頻電源經三相電抗器進入電網，再由電網的對地電容、絕緣電阻入地，構成低頻電流回路，通過對各低頻電流信號進行處理與計算，即可求得各條支路電纜的絕緣電阻情況，從而實現在線監測。對低頻信號而言三相電抗器和線路阻抗引入的電抗值極小，與低壓電網的絕緣阻抗相比，可以忽略不計[4]。等效電路圖如圖1所示。

圖1 附加低頻信號注入法等效電路圖

圖中任一支路絕緣參數：

(1)

由式(1)得：

(2)

式中U—低頻電壓值，V；

ω—角頻率，rad/s；

θ—相位角，°；

Ii—第i支路的低頻電流值，A；

Ri—第i支路的絕緣電阻總值，Ω；

Ci—第i支路的對地電容總值，F。

在每條支路上裝置高靈敏度電流互感器，即漏電流采集模塊，測量其二次輸出的電流信號，將互感器測量的電壓、電流信號進行濾波等處理后上傳到絕緣監測裝置進行計算，即可求得對應支路的對地絕緣參數值，實現各回路的絕緣狀況監測。

(3)采用簡單的信號指示燈法

在有色礦山除采用檢漏繼電器法或向電網注入特殊信號法實現低壓電網絕緣監測保護外，在實際設計與生產中，也有些礦山采用將霓虹燈接成星形，其中性點接地，置于井下變電所內。如有漏電故障時，值班人員在巡查中即可查出，其接線方式如圖2所示。正常時霓虹燈是亮的，如發生漏電時，故障相的霓虹燈即熄滅，可將此信號經變換后引至有人值班的變電所內[5]。

圖2 信號指示燈法用于井下漏電監視

2 多功能低壓絕緣監測系統

2.1 設計原則

采用礦山融合技術將電網電量監測、環境監測、遠程停送電與低壓電網絕緣監測深度融合，在技術上實現了各系統之間的相互交叉、相互滲透、信息相互引用、資源相互共享，在設備上實現了各系統之間的共享、最大程度減少了電氣設備的種類、統一了技術標準和通訊規約。

2.2 系統構成

本系統可用于1 000 V及以下的所有低壓配電IT系統中，主要由監控裝置柜體、電源回路模塊、漏電流采集模塊、絕緣監測模塊、故障定位模塊、聲光報警模塊、可編程邏輯控制模塊、網絡交換機模塊，共8個部分組成。根據現場低壓配電系統情況及實際需求，可靈活配置，系統結構框圖如圖3所示。

1.絕緣監測模塊 2.故障定位模塊 3.聲光報警模塊 4.可編程邏輯控制模塊 5.網絡交換機 6.電源回路模塊 7.漏電流采集模塊 8.低壓開關 9.低壓用電設備

系統各構成部分情況如下：

(1)監控裝置柜體采用敷鋁鋅鋼板制成，柜體前后均設有門，門縫接口處均采用凹槽結構，并采用密封條進行防水密封。柜體進出線均采用格蘭頭密封，頂部有蓋板，防止異物、水滴進入柜內。柜體外殼防護等級達到防塵、防濺水的IP54等級。

(2)電源回路模塊主要為監測系統提供低壓交流控制電源，由低壓開關、熔斷器等組成。

(3)絕緣監測模塊采用附加低頻信號注入法，能夠監測電網的絕緣電阻值、電容值、漏電流值，并輸出故障信號及報警信號。

(4)漏電流采集模塊用于采集電網對地漏電流，和故障定位模塊一起用于電網絕緣的監測、定位和測量。該模塊安裝在低壓配電設備內的配電回路電纜上，一個漏電流采集模塊對應一條配電回路電纜。

(5)故障定位模塊接收漏電流采集模塊傳來的數據，并與絕緣監測模塊協同工作，將漏電流采集模塊傳輸的數據與預先設定閾值進行比較，可以識別故障回路。一個故障定位模塊可以監測多個漏電流采集模塊。

(6)聲光報警模塊包含LED警示燈、智能語音模塊、消音裝置三部分。當發生故障時，LED警示燈間斷閃爍，智能語音模塊自動播報故障信息，并提示維護人員檢查設備。消音模塊用于維護人員到達現場后，按下消音按鈕，語音模塊停止播報。

(7)可編程邏輯控制模塊包含電源模塊、CPU模塊、信號模塊以及通訊處理器。該模塊與絕緣監測模塊、故障定位模塊采用現場總線通訊，將電網絕緣狀態、工作電源狀態、絕緣監測模塊狀態、故障定位模塊狀態、絕緣電阻值等通過工業以太網或現場總線傳輸到智能礦山綜合管控平臺。可編程邏輯控制模塊還可以根據需求，與多功能電表采用MODBUS或PROFIBUS協議進行通訊，采集低壓電量消耗數據、低壓配電設備開關的狀態以及實現對低壓配電開關遠程控制。

可編程邏輯控制模塊典型特性如下：

(1)與智能礦山綜合管控平臺通訊，接收智能礦山綜合管控平臺指令；

(2)具有運行狀態識別、故障多重保護功能，具有自檢功能等；

(3)向智能礦山綜合管控平臺發送實時運行信息；

(4)通過現場總線與絕緣監測模塊、故障定位模塊、多功能電表等通訊，監測各種電量和非電量參數以及設備狀態；

(5)數據采集、處理和系統診斷；

(6)支持工業以太網、現場總線、RS485總線等多種通信方式。

2.3 系統特點

本系統采用模塊化設計，可以實時監測低壓電網絕緣變化，方便維護人員根據監測值對電網進行預維護，一旦系統發生絕緣故障，將發出絕緣告警，同時可以準確定位出故障線路。該系統不僅能實現低壓配電的絕緣監測及定位功能，還可以實現電網電量監測、環境監測、遠程停送電控制。

系統配置靈活，支持多種通訊方式與協議，實現了有色礦山低壓配電系統絕緣監測的智能化、數字化、網絡化，可提高低壓配電系統的安全性、可靠性、可控性，降低系統運維成本。

3 結語

本文提供了有色礦山低壓絕緣監測系統一種新的設計思路，通過現代計算機技術、電力電子技術、網絡通信及融合控制技術，實現了電網絕緣監測、電量監測、環境監測、遠程停送電等多種監控系統的融合，實現了礦山多網合一，簡化了系統結構，節省了工程投資，可大幅度提高低壓配電系統運行的可靠性。該系統既可獨立運行，又具備多種通訊協議，為融入智能礦山綜合管控平臺提供了技術支撐。