矿井电网漏电保护的研究

胡延东

(深圳市坤邑紫垣科技有限公司，广州 深圳 518000)

1 引言

煤矿井下空气潮湿，空间狭窄，光线不足，工况恶劣，对在这条件下运行的电气设备绝缘提出了更高要求。而矿用电缆是供电系统中的薄弱环节，尤其是一些采掘设备的拖曳电缆，易受磨损或挤压，经常会出现漏电，造成绝缘下降或单相接地。漏电不仅导致电气设备损坏或人身触电，还会造成单相接地，进而发展成相间短路，而且在含有瓦斯、煤尘爆炸等危险环境中，其产生的火花还可能造成瓦斯、煤尘爆炸等危险。据不完全统计，漏电故障约占煤矿井下电气故障的70%［1］。因此，研究漏电的特征，采取切实可行的漏电保护措施，对井下安全供电具有重要意义。

在煤矿井下供电系统中，当其中的带电体某点对大地的绝缘阻抗降低到一定程度时，该处就出现了漏电故障。而系统中设置漏电保护的主要目的就是通过快速切断供电电源，防止人身触电伤亡和漏电电流引起瓦斯、煤尘爆炸。

为了有效实现漏电保护和防止故障扩大，煤矿井下电气系统中的漏电保护装置应满足以下要求［2］:

(1)具有漏电闭锁和漏电保护两种功能，并实时检测供电电网对地的绝缘电阻;

(2)电网对地绝缘电阻降低到一定程度时，应立即动作，并切断供电电源;

(3)保护迅速，其动作时间要小于30ms;

(4)动作灵敏可靠，不能拒动和误动。

2 漏电保护原理

漏电保护是煤矿井下安全供电的三大保护之一。其不但要实现在负荷运行前，对供电电缆或者负荷的绝缘水平进行检测，而且检测到对地绝缘电阻下降到一定程度时闭锁合闸回路，阻止负荷投入运行。此外，在运行过程中实时检测电网对地绝缘电阻，一旦电阻值降低到设定值，立即断开供电电源。

根据检测物理量不同，所形成的漏电保护原理和装置较多［3］，但从适用于井下供电系统的漏电保护原理来看，主要有附加直流电源检测原理、利用三个整流管保护原理、零序电压保护原理、零序电流保护原理及零序功率方向保护原理［4，5］。

2.1 附加直流电源检测

附加直流电源检测原理是用附加在电网与地之间的直流电源来检测电网是否发生漏电故障。

其保护电路由附加直流检测电源、三相电抗器、限流电阻、双T滤波、高通滤波、信号取样等组成，原理框图如图1所示。

由图1可知，直流电流经U的正极通过电网对地电阻、三相电抗器SK、限流电阻R、滤波电路形成回路，回路中的直流电流为:

图1 附加直流电源检测原理

式中，RΣ为回路中三相电抗器、限流电阻、滤波电路中的等效电阻;rΣ为三相电网每相对地的绝缘电阻并联。当漏电保护电路确定后，RΣ和附加直流检测电源不随电网绝缘电阻的波动而变化。由此可见，通过直流电流I可以反映电网的对地绝缘电阻rΣ，调节电路中取样回路中的电阻，可以改变电网中的漏电保护电阻值。

2.2 利用三个整流管保护

利用三个整流管设计的漏电保护如图2所示。

图2 三个整流管保护原理

图中，三个整流管一端分别接到电网的三相上，而另一端连接在一起经继电器或者负载电阻接地。由于供电变压器中性点不接地，经过三个整流管整流后的直流电流，经过负载电阻和三相电网对地绝缘电阻，返回电源。由三相电源的波形图不难看出，在第一个三分之一周期内，A相电压大于B、C两相，A相的整流管导通，电流由A相的电源流出，由绝缘电阻RB、RC返回电源的另两相，这两相的整流管在反向电压的作用下，处于截止状态。同理，B相、C相的整流管依次间隔120°导通，其导通后形成的电压均为:

负载电阻中的平均电流为:

2.3 零序保护原理

2.3.1 漏电故障分析

O为供电变压器中心点对地电压分别为各相对地电压，其对地电压为:

通过各相对地电阻和对地电容电流分别为:

式(6)中，RA、RB、RC为供电电缆对地等效绝缘电阻;XA、XB、XC为供电电缆对地容抗。

式(5)代入式(6)得

当A相发生漏电故障后，电网中有电流通过漏电电阻RL进入大地，由基尔霍夫定理可知:

式中，R和X分别为在三相线路对地绝缘电阻和电容。

图3 供电电网中零序电压和零序电流

由式(7)可见，发生漏电故障时，电网对地电流由两部分组成，一部来自电网相电压，另一部分由零序电压产生，即为零序电流。

由上式可见，电网漏电后，漏电电流等于电网各相对地的零序电流之和，且它们的相位相反。在三相电网中，当发生不对称性漏电故障时，必然产生零序电压，它在三相电网对地电容中就会产生零序电流，通过检测零序电流大小，可以判断线路是否发生漏电故障。

2.3.2 零序功率方向保护原理

在中性点对地绝缘的供电系统中，当有多个分支线路时，其漏电电流分布如图4所示。

图4 漏电故障的零序电流分布特点

如图4所示的三条支路L1、L2、L3，当L3支路的A相发生接地故障时，全电网A相对地电位均为零，对地电容被短接，而B、C两相对地电压变为线电压，在各自电压的作用下形成电容电流，其电流分别为

流过故障支路零序电流互感器的电流是各个支路电流与故障支路电流的矢量和，其为

从上述不难看出，多个分支线路中有支路发生漏电时，有以下特点:

(1)非故障支路中的零序电流分别为本支路的电容电流，方向由母线流向线路;

(2)流过故障支路的零序电流是其他所有非故障支路电容电流之和，方向由线路流向母线，与非故障支路方向相反;

(3)故障支路的零序电流为其余各支路零序电流之和。

零序功率方向保护原理就是利用零序电流与零序电压的相位的关系来实现供电电网线路的选择性漏电保护，通过检测不同支路零序电流的相对方向来判断出漏电支路。

3 结语

在各种漏电保护原理中，附加直流电源检测保护没有选择性，当整个电网的任何地方发生漏电时，直流检测回路都会形成回路，使漏电保护动作。利用三个整流管保护，不但没有选择性，而且随着电源电压的波动，整流以后的平均电压发生变化，因而动作电阻值也随着变化。采用零序电压实施漏电保护时，动作值不固定、动作无选择性、不能检测绝缘电阻的对称下降。零序电流保护时动作电阻值不固定，仅适用于分支线路较多、电网对地分布电容较大的场合。零序功率方向保护是通过比较零序电流和零序电压之间的相位来实现漏电保护，其不但可以实现选择性漏电保护，需要的零序电流小，灵敏度高。综上所述，不同的漏电保护原理，具有不同的特点和使用条件，因此，需要根据现场供电电网的情况和要求，选用不同的漏电保护装置，以实现煤矿井下电气系统可靠的漏电保护。

［1］王虹桥.附加直流电源的电缆绝缘在线检测新法［J］.煤炭科学技术，2000，28(4)，19 －21.

［2］赵全福，等.煤矿安全手册 第十一篇 电气安全技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1992.

［3］Thomas N.The effects of very-high-resistance grounding on the selectivity of ground-fault relaying in high-voltage longwall power systems ［J］.IEEE Trans IndAppl，2001，37(2):398 －406.

［4］牟龙华，孟庆海，胡天禄.基于故障分量有功功率的选择性漏电保护［J］.中国矿业大学学报，2002，31(4).

［5］宋建成，等.矿井电网过电流特征分析及其保护系统的研究［J］.煤炭学报，2001，26(1).