剩余电流保护器在地下金属矿山的应用

衡 旭 马万里

(1.安徽华骐环保科技股份有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

剩余电流保护器在地下金属矿山的应用

衡 旭1马万里2，3，4

(1.安徽华骐环保科技股份有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

剩余电流保护器在国内外电气设备中应用广泛，其对漏电电流高灵敏度的特性对于预防触电事故有着明显的效果。金属矿山井下配电系统属于IT系统，即中性点不接地系统，且不引出零线，对于这样的系统环境，要求井下电气设备的绝缘等级比其他系统更加严格。而地下金属矿山环境多潮湿，配电系统绝缘耐久性比较差，会大大增加触电事故发生的可能性。将剩余电流保护器应用于金属矿山井下配电系统，作为绝缘下降后的防触电的有效保护，分析了剩余电流保护器的工作原理及适用性，从而给出绝缘监测器安装在采区变进线柜、剩余电流保护器安装现场动力柜内配置的合理化方案，有力保证了井下电气系统的安全稳定运行。

地下金属矿山 IT系统 剩余电流保护器 现场动力柜

在矿山井下电气系统中，剩余电流保护器(简称RCD)并不像在民用电气那样得到广泛的应用，相关规范对于IT系统使用剩余电流保护器的说明较为含糊，过流保护装置和剩余电流保护器选其一即可。现实运用中，普通带热脱扣器的断路器即可实现过流保护。因此，金属矿山相关设计单位对于井下配电回路多数采用断路器进行过流及短路保护，RCD基本上忽略不用。鉴于此，将通过对RCD在IT系统中的应用并结合井下配电系统的实际情况进行分析，给出RCD在金属矿山配电系统中应用的合理化方案，为地下金属矿山配电系统提供有效保护。

1 RCD工作原理

RCD主要由检测环节(零序电流互感器)、中间环节( 包括放大器、比较器、脱扣器等) 、执行环节( 主开)以及试验环节等部分组成。以三相四线制系统(TN-C系统)为例，RCD工作原理见图1。

图1 三相四线制的RCD工作原理

在系统正常工作条件下，由基尔霍夫定律可知，TA一次侧电流向量和为零，即

IL1+IL2+IL3+IN=0 ，

(1)

从而使得TA二次侧无感应电动势产生，RCD不动作，系统正常供电。

当系统发生漏电或者有工作人员触电时，由于故障电流的存在, 通过TA一次侧各相电流的相量和不再等于零,产生了漏电电流IK,即

IL1+IL2+IL3+IN=IK，

(2)

由于一次侧存在漏电电流IK，经过线圈反馈使得二次侧产生感应电动势,作为动作信号经中间环节进行分析, 当达到预设值时, 使主开关分励脱扣器线圈(TL)通电, 驱动主开关(GF)自动跳闸, 切断故障回路，实现保护的目的[1]。此原理同样适用于IT及TT系统。

2 RCD的适用性分析

依据《剩余电流保护装置安装与运行》(GB 13955—2005)4.2.2条，剩余电流保护装置用于间接接触电击事故防护时，应正确与系统的接地形式相配合。该规范同时列举了RCD在TN和TT系统下的注意事项，但未提及IT系统。而在《矿山电力设计规范》(GB50070—2009)(4.2.9条)中提到，发生外露导体部分对地单一接地故障且接触电压不超过36 V时，由绝缘监视装置发出警告而不切断故障回路电源；而发生二次异相接地故障时，由过流保护装置或剩余电流保护器切断故障回路。与RCD广泛使用的TN、TT系统不同，该规范将矿山井下IT系统的触电保护等级分为2级，可简称为监控级和跳闸级，而拥有热脱扣器的断路器即可实现过流保护，规范中提及的剩余电流保护器切断故障回路就显得比较多余。

IT系统在电源端不做系统接地。当系统发生第一次接地故障时,故障电流没有直接返回电源的通路，只能通过另外2个非故障相导体对地的电容返回电源[2]。由于容抗极大，所以电容电流极小，不会引起电击危险，只报警而不切断电源，供电不间断，保证重要设备的持续供电[2]。这也符合矿山井下实际运行情况，如井下水泵及通风风机等一类负荷是不允许停电的，即在排查故障前允许矿山“带伤”运行。而同样发生一次接地故障，对于TN和TT系统危害性是不言而喻的。根据《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)5.2.9条，TN系统下固定式设备的配电线路切断时间不得超过5 s，而移动式设备最高不得超过0.4 s。这也是高灵敏度RCD在TN、TT系统中广泛应用的原因。

由上述可知，如果在矿山井下IT系统中装设RCD，其目的和应用与TN、TT系统不同。根据IT系统触电保护等级，推测RCD应该作用于跳闸级，即发生第二次接地故障转变为相间短路时切断故障。RCD应作为过流保护的必要补充而存在。矿山井下IT系统触电接地故障系统见图2。

图2 矿山井下IT系统触电接地故障示意

由图2可以看出，根据RCD的工作原理，只有在上述2种状态下RCD才具有动作可能性，而图2(a)对应的是井下IT系统监控级状态，图2(b)对应的恰好为跳闸级状态。根据《矿山电力设计规范》(GB 50070—20091)，RCD的辅助作用可理解为监控级向跳闸级转换过程中的过流保护辅助装置，而其整定值需要高于监控级的泄露电流Id而小于人体安全接触电流30 mA。如图3所示[3]，监控级接触故障阻抗主要是非故障相回路导体与地间的容抗XC和外露导电部分保护接地的电阻RA,但XC≫RA,得出监控级状态下的接地故障电流Id：

单相交流回路时，

Id=2πfUC,

(3)

三相交流回路时，

(4)

式中，C为非故障带电导体对地电容，F；U表示单相为回路标称电压，三相为相间标称电压，V；f为系统标称频率，Hz。

3 RCD的应用

金属矿山井下配电系统作为IT系统众多应用场所之一，也有自己的特点，比如井下现场动力柜到采矿点的采掘设备终端的供电距离较长，变压器中性点零线不得引出，且井下存在着由主接地极和各辅助接地极通过PE线连接的接地网。井下接地网具体布置见图4。

图3 监控级故障电流示意

图4 井下接地网布置

1—主井水仓主接地极；2—接地干线；3—采区变局部接地极；4—动力柜局部接地极；5—电缆接线盒局部接地极；6—铠装电缆外皮与接地网连接；7—橡套电缆PE芯线；8—高压开关柜；9—采区变压器；10—低压配电柜；11—照明变压器；12—动力柜；13—机旁操作箱；14—电耙电机；15—局扇电机

由图4可以看出，金属矿山井下配电系统配电顺序可以分为中央变、采区变、现场动力柜、采掘设备终端4个等级，下一级由上一级提供保护。中央变、采区变及现场动力柜一线均有接地干线连接，且均有独立的接地极接地，从而组成了井下接地网。当井下配电系统出现跳闸级故障时，故障电流通过连通的PE接地网导通，故障回路阻抗很低，短时间内足以触发过电流保护装置动作，进行跳闸。因而，这三级使用RCD辅助作用不大。

如果供电距离较长且没有共同的PE线组成接地网，即终端设备接地极和现场动力柜接地极没有PE线连接，从而没有构成等电位连接，故障电流流经大地时相当于经过了具备一定阻值的电阻，供电距离较长也会导致阻值偏大，这样的故障电流幅值远小于普通的相间短路电流，过流保护装置很难动作跳闸，在这种情况下就需要在每个回路上加装RCD来实现保护。

由于工作人员频繁与采掘设备终端或其操作箱接触，因此，现场动力柜—采掘设备终端一级无需在现场动力柜内安装绝缘监测器。绝缘监测器只需安装在采区变进线柜内即可实现采区变—现场动力柜这一级的绝缘监控。现场动力柜内每条回路RCD漏电电流的整定值只需小于人体接触安全电流30 mA即可。绝缘监测器对地监测电阻整定值设置只需小于IT系统最大负载无故障运行时的对地绝缘电阻即可，其值一般小于100 KΩ，一般比较严苛的局部医疗IT系统规定为50 KΩ，金属矿山井下IT系统可将其对地绝缘电阻值设定在50 K～100 KΩ。

综合以上分析，提出RCD在金属矿山井下配电系统的应用方案：在采区变电所内部进线柜加装绝缘监测器，设置绝缘电阻整定值为50 K～100 KΩ，监测采区变—现场动力柜这一级配电系统的绝缘情况；在现场动力柜内每条到采掘设备终端的回路加装RCD，整定值设定为30 mA。见图5。

图5 金属矿山井下绝缘监测装置与RCD布置

根据绝缘监测装置和RCD在井下配电系统中的应用方案，实现了井下配电系统由监控级故障电流报警到跳闸级故障电流切除的配合保护，加入RCD后，相当于加入了跳闸级故障电流切除的后备保护，金属矿山井下一线工作人员将得到更加安全的用电保护，为金属矿山井下电力系统的连续、高效、安全运行提供更加有力的保障。

4 结 语

通过论证剩余电流保护器(RCD)在IT系统中如何使用，进而结合金属矿山井下IT系统自身的特点，将矿山供电系统按照供电顺序进行中央变、采区变、现场动力柜及采掘设备终端四级定位，分析并排除了RCD安装在前两级中的可能性，论证了RCD应用在现场动力柜内的合理性和必要性，证明RCD对矿山井下IT系统保护是一种非常必要的手段，建议金属矿山相关设计单位能够足够重视。

[1] 罗巧秀.漏电保护器的工作原理和应用[J].供用电,2002，19(3)：47-48.

[2] 王 巍，王金泉，徐 晔,等. IT系统中剩余电流保护器的使用[J]. 电世界，2013，54(9)：12-14.

[3] 王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京：中国电力出版社，2013.

Application of the Residual Current Operated Protective Device in Underground Metal Mine

Heng Xu1Ma Wanli2,3,4

(1.Anhui Huaqi Environment Protection Technology Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine;4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metal Mineral Resources Co.,Ltd.)

The residual current operated protective device(RCD) is widely used in the electric equipments in domestic and overseas, it can effectively prevent the electric shock accidents with high sensitivity of the leakage current. The underground power distribution system belongs to the IT system, that is to say, it is the isolated neutral system and does not has null line. Under the system condition, the insulation grade of underground electrical equipment is higher than other systems. The environment of underground metal mine is wet, the durability of insulation of power distribution system is poor, so, it can increase the possibility of electric shock accidents. RCD is applied in the power distribution system in underground metal mine so as to prevent electric shock accidents with the insulation falling. The working principle and applicability of RCD are introduced, the reasonable schemes of installing the insulation monitor at the line cabinet in mining area and the configuration of stalling site power cabinet are proposed, therefore, the safe and stable operation of the underground electric system is ensured.

Underground metal mine, IT system, Residual current device, Site power cabinet

2015-06-30)

衡 旭(1973—)，男，工程师，243061 安徽省马鞍山市经济技术开发区梅山路409号。