礦井采煤機(jī)漏電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

郝 鵬

（山西寧武大運(yùn)華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

目前，各個(gè)煤礦企業(yè)在不斷更新技術(shù)，提高煤礦開(kāi)采設(shè)備的科技含量，提升自身的安全生產(chǎn)管理水平。采煤機(jī)作為煤礦開(kāi)采的重要設(shè)備，在安全提升方面應(yīng)更加注重[1]。礦井采煤機(jī)的開(kāi)采功率在不斷增加，對(duì)于電氣系統(tǒng)提出了更高的安全使用要求。尤其在危險(xiǎn)的礦井環(huán)境內(nèi)，瓦斯等易燃易爆氣體彌漫在空氣內(nèi)，務(wù)必要避免漏電故障的發(fā)生，防止造成嚴(yán)重的安全事故。采煤機(jī)由于受到強(qiáng)大的沖擊和震動(dòng)容易使得零部件松散，造成漏電情形的發(fā)生。因此有必要對(duì)采煤機(jī)漏電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的漏電情況進(jìn)行遏制。通過(guò)對(duì)采煤機(jī)漏電保護(hù)裝置的研究能夠提升采煤機(jī)的本質(zhì)安全管理水平，保證礦井內(nèi)供電安全，防止一線作業(yè)人員觸電。研究成果為煤礦企業(yè)提高電氣安全管理水平提供了依據(jù)。

1 采煤機(jī)供電網(wǎng)路漏電分析

采煤礦井中始終處于高溫、高濕、高塵的工作環(huán)境，并且伴隨著各種機(jī)械的運(yùn)行在空氣中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的震動(dòng)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，井下的配電變壓器是不能直接中性點(diǎn)接地。但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程觀察，井下的供電主要是采用電纜供電，并且供電的距離相對(duì)較短，分布的電容較廣，此時(shí)的零序阻抗值會(huì)變得較大。當(dāng)某個(gè)電氣設(shè)備發(fā)生漏電時(shí)，會(huì)造成較大的危害。

雖然通常在采煤機(jī)供電中采用了中性點(diǎn)不接地的方式，但是在主供電線路中也通過(guò)電腦進(jìn)行電力輸送。在各支路上的漏電電流就不易被發(fā)現(xiàn)，無(wú)法判別是否存在漏電故障。常規(guī)的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)為三相電系統(tǒng)，通常在檢測(cè)到某支路的電流量突然增大時(shí)才會(huì)進(jìn)行用電保護(hù)，因此目前的電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于零序電壓和零序電流的反應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致對(duì)于漏電故障的反應(yīng)較慢。

2 電氣系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)

2.1 漏電保護(hù)的要求

漏電保護(hù)的主要原則是對(duì)一線作業(yè)人員進(jìn)行保護(hù)，要保證安全電壓滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，保護(hù)觸電人員的人身安全[2-4]。由于礦井大多數(shù)都采用一個(gè)變電站為所有的用電設(shè)備進(jìn)行供電，變電站的設(shè)計(jì)和后期維護(hù)都要將可靠性放在首位，同時(shí)也要保障漏電保護(hù)器的工作可靠性。首先在設(shè)計(jì)電路時(shí)要符合規(guī)范要求，并且不能超過(guò)電子元件的使用性能；其次當(dāng)漏電事故發(fā)生后，漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作應(yīng)可靠迅速。

2.2 選擇性漏電保護(hù)原理

選擇性漏電保護(hù)器應(yīng)使得上、下級(jí)電氣設(shè)備在漏電保護(hù)響應(yīng)時(shí)間上有間隔。通過(guò)移動(dòng)和固定式變電站，實(shí)現(xiàn)將組合電氣設(shè)備和終端電氣設(shè)備進(jìn)行分別設(shè)置，在電器保護(hù)的縱向選擇性方面一般不采用零序功率來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，而橫向選擇性完全相反。當(dāng)供電電網(wǎng)對(duì)主要電流進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，應(yīng)該注意對(duì)附加直流電源進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)采取中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)檢測(cè)附加直流的通電方式，采用三項(xiàng)星型連接將中性點(diǎn)在主回路與大地之間形成三相供電方式，附加直流電源保護(hù)原理示意圖如圖1所示。

圖1 附加直流電源保護(hù)原理示意圖

2.3 漏電判斷原理

采煤機(jī)在進(jìn)行正常的采煤作業(yè)時(shí)，絕緣電阻R0處于正常的絕緣狀態(tài)，在供電網(wǎng)絡(luò)通電的時(shí)候電流很小，同時(shí)電壓數(shù)據(jù)也較小[5]。當(dāng)產(chǎn)生漏電故障的時(shí)候，絕緣電阻和回路電流將呈反比例數(shù)量關(guān)系。漏電檢測(cè)裝置將檢測(cè)到電壓值在不斷增加，通過(guò)與原有電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，就可判定出漏電故障正在發(fā)生，從而可以切斷電網(wǎng)供電，使得電氣設(shè)備受到保護(hù)。漏電故障保護(hù)電路原理示意圖如圖2所示。

圖2 漏電故障保護(hù)電路原理示意圖

3 采煤機(jī)漏電保護(hù)裝置的方案設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)有漏電保護(hù)裝置的問(wèn)題

以問(wèn)題為向?qū)В瑢?duì)采煤機(jī)漏電保護(hù)裝置的現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行收集，并根據(jù)問(wèn)題對(duì)漏電保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，主要問(wèn)題為信號(hào)采集反應(yīng)不靈敏并且不易識(shí)別；漏電特征信號(hào)容易受到電容及故障初相角因素的影響；附加直流源的直接檢測(cè)裝置在選擇性和速動(dòng)性方面有所欠缺。

3.2 漏電保護(hù)方法

根據(jù)采煤及實(shí)際工況條件，采取附加直流漏電保護(hù)的方法增加電流保護(hù)裝置。在附加電源的電流回路當(dāng)中，漏電電阻的數(shù)值一般較小，而產(chǎn)生的直流電源電流很大，可以通過(guò)回路中電阻值的變化來(lái)判定漏電故障是否仍在于回路中，具體保護(hù)原理示意圖如前文中圖2所示。

3.3 漏電保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前電壓型漏電保護(hù)裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，在漏電保護(hù)裝置的發(fā)展迭代過(guò)程中逐步被電流型漏電保護(hù)裝置取代。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外科研生產(chǎn)機(jī)構(gòu)大多數(shù)均以電流型漏電保護(hù)裝置為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)標(biāo)定和生產(chǎn)研究。漏電保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)組成，主要包括檢測(cè)元件、放大元件、比較元件以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)[6]。

4 漏電保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

該檢測(cè)裝置基于歐姆龍CP1H系列PLC控制系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)硬件、軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試后，根據(jù)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)制定了測(cè)試方案，見(jiàn)圖3。

圖3 漏電保護(hù)裝置功能試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)對(duì)采煤機(jī)截割電機(jī)進(jìn)行漏電保護(hù)試驗(yàn)。當(dāng)截割電機(jī)正常工作時(shí)，通過(guò)漏電保護(hù)硬件電路對(duì)其采樣，如圖4所示，為正常時(shí)采樣輸出波形。當(dāng)截割電機(jī)不發(fā)生漏電故障時(shí)，采樣波形幾乎沒(méi)有波動(dòng)。當(dāng)截割電機(jī)發(fā)生漏電故障時(shí)，如圖5所示為故障時(shí)采樣輸出波形。由輸出波形可以看出，當(dāng)截割電機(jī)發(fā)生漏電故障時(shí)，采樣波形波動(dòng)較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，漏電保護(hù)裝置能夠滿足采煤機(jī)截割電機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)備保護(hù)要求。

圖4 正常工作時(shí)截割電機(jī)輸出波形圖

圖5 漏電時(shí)截割電機(jī)輸出波形圖