煤矿井下低压电网常见故障防护技术研究

马 健

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)



·专题综述·

煤矿井下低压电网常见故障防护技术研究

马 健

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

针对煤矿井下低压电网的用电安全性和稳定性，分析了井下低压电网常见的漏电、短路、断相和过载故障的发生机理、危害和防护措施等，介绍了相应故障的检测手段，并以此为基础，提出低压电网用电安全监控网络的构建方法，本文研究内容对矿井低压电网综合保护系统的建立具有重要参考意义。

矿井；低压电网；故障；防护

近年来，随着我国煤矿机械生产能力的提高和先进综采技术的快速普及，煤炭回采率和矿井的安全性得到大幅提升，同时也对矿井低压供电系统的稳定性、连续性提出了更高要求。而井下巷道和工作面环境恶劣，如：高粉尘、高湿度、强震动、含硫腐蚀性介质大量分布等，极易引起低压电网线路绝缘层强度降低，绝缘性能退化。加之机械和电气设备移动频繁，设备操作和维护不当等原因，最终导致线路漏电、断裂等故障，严重危及井下人身和设备财产安全[1-3].

我国煤矿安全生产规程也对低压配电网络的事故防护提出了具体要求，并对线路布置、防护设备选用等做了规定，但对于不同井下工况，需进行针对性地研究和规划。因此，为保证井下低压供电系统在煤矿采掘和运输过程中的可靠性，需对该系统常见故障的发生机理、危害和防护技术等进行研究，制定一套集故障监测、反馈、预警于一体的，能有效确保供电系统稳定、降低事故发生率和影响范围、提高人身和设备安全的低压电网故障防护体系。

1 矿井低压电网供电方式

我国煤矿常见供电方式包括深井供电和浅井供电两种，都是通过井上变电所的主变压器，经过电压调制后由供电线路送至井下的中央变电所，然后再分别送至位于各采区变电所，最后再由各变配电设备和供电网络将电能输送到巷道、综采工作面等处，为设备运转、通风、照明等用电负荷提供能源[4,5]. 其中，末级变电设备为位于各采区的固定或移动式变电所，该设备一般采用高压控制开关、干式变电器、低压馈电和综合保护的三位一体组合方式，虽然已具备了一定的故障防护能力，但已不适应当前煤矿井下现代化故障监测系统的建设，因此有必要对矿井低压电网常见故障防护系统进行研究和建设。

2 煤矿井下低压电网常见故障及防护原理

煤矿井下低压电网常见故障包括漏电、短路、断相和过载等，其中漏电和短路故障发生率较高，危害较大，是故障防护的重点。

2.1 漏电故障及防护

1) 漏电故障及危害。

对于采用中性点绝缘的矿井低压电网，其三相电缆中的某一相或几相对大地的绝缘电阻值降低至某一数值时认为该条线路发生漏电事故。井下漏电可分为集中性漏电和分散性漏电，前者是指线路中某一位置发生漏电，而其余位置仍处于较高的对地绝缘的情况，后者是指整条线路的对地绝缘性降低。对于集中性漏电，一旦发生，绝缘部分将承受较高的电压，长期作用将导致绝缘层被击穿，引起短路和火灾事故，危害显著。

井下工作空间有限，顶板和侧帮坠物较多，因此电缆绝缘层极易被破损。据统计，漏电占整个低压电网事故发生率的70%～80%，且容易引起次生事故，危害较大。采取切实有效的漏电防护措施，对于保证井下用电安全性具有重要意义。

2) 漏电事故防护原理。

漏电事故的防护采用零序电流方向检测原理，这是一种针对单一漏电线路的，具有选择性的漏电保护方法。其原理是在三相电网中，发生漏电或人身触电时，三相对地电压向量不再对称，在分支各线路中产生了零序电压U0和零序电流I0，而流经漏电点和人体的电流为各分支电流之和。零序电流分布示意图见图1.

图1 井下漏电事故零序电流分布示意图

从电流方向看，发生漏电故障分支线路的电流从分支母线流向大地后，又再次通过漏电位置流回本分支母线；而正常线路的电流从分支母线流向大地后未返回。由此可知，两者相位相反，相对于母线上的零序电流，发生漏电的线路的零序电流相位滞后90°，而正常线路相位超前90°.因此，可通过检测零序电流I0的方向来确定漏电故障发生支路。

2.2 短路故障及防护

1) 短路故障及危害。

短路是煤矿井下低压电网的常见严重故障，一般是指供电系统中相与相、相与地等不等电位的导体之间发生意外短接的现象。引起短路的原因与漏电故障相似，主要是绝缘层损坏导致的连通。对于三相供电网，可分为单相、两相和三相短路等3种情况，前两者发生时，三相线路中的电流和电压向量不再对称，而三相短路时，以上参数仍然对称。

当发生短路故障时，由于通路电阻值减小，电流由正常值突然增大，线路发热加剧，阻抗增大，因此经过一段陡增的瞬态过程后，电流逐渐趋于新的稳定，但仍处于较高水平，极易诱发火灾。

2) 短路故障防护原理。

井下常见型号电机在启动瞬间的电流为其工作额定电流的4～8倍，并且随着供电线路的延长和用电负载的增多，电机启动产生的瞬间电流值与短路电流比较接近，因此采用传统的幅值比较的方法已难以辨认。但是，井下电机的电感值较大，因此在启动瞬间的功率因素cosφ仅为0.3～0.5；而短路线路由于电感值极低，其功率因素接近1，因此两者对比明显，这就是相敏检测原理，可作为短路故障的判定依据，相敏检测判断短路故障图见图2.

图2 相敏检测原理判断短路故障图

实际生产中，可将幅值检测与功率因素检测相结合，即将电流值与功率因素的乘积(I·cosφ)作为短路故障保护的启动参数，由此可提高检测的灵敏度和准确性，有效防范短路危害。

2.3 断相故障及防护

1) 断相故障及危害。

断相是指三相供电线路的其中一相断开，此时电机仍可运转，但处于非正常工作状态。断相原因一般分两类：a) 因坠物等故障导致单相线路损坏折断，发生概率较小。b) 对于安装有短路保护熔断器的电网，发生短路时其中一相的保险丝发生熔断，从而导致断相。

断相事故发生后，该相的电流变为零，其余两相电流相等，方向相反，电网中出现负序电流，电流幅值增大至原值的1.732倍，导致电机过负荷，电机发热加剧，甚至烧毁。

2) 断相故障防护原理。

正常三相电网中，各相电流向量对称，因此线路中只有正序分量。而断相故障发生后，对称性被打破，在电路中产生了负序电流，因此采用负序检测原理可及时发现断相故障，便于及时修复。

2.4 过载故障及防护

1) 过载故障及危害。

当井下负载增多、负荷增大、电压升高时，输电线路、变压器和电机等设备中的电流值将增大，高于其额定电流，此时电网负荷过载。一般情况下，程度较轻、短时的过载故障导致的设备温升较小，对用电安全威胁较小，因此允许采用一定程度的延时跳闸保护措施；但严重过载故障将导致电线和电机等设备严重发热，引起设备烧损和火灾事故，因此要求快速跳闸保护。

2) 过载故障防护及检测原理。

与短路相比，过载电流相对较小，区别明显；而与断相故障相比，两者增大电流值相差不大，因此单纯依靠电流检测无法判断过载故障。实际上，过载与断相的差别在于，断相后的电流相位不再对称，而过载电流相位不变，所以可结合相位和电流检测两种手段进行过载判定，然后根据过载电流大小决定延时保护时间。

3 煤矿井下低压电网事故防护技术应用

在对井下低压电网常见故障发生原理、危害和防护方法进行研究基础上，有必要将各种用电安全检测数据纳入矿井生产现代化监测系统中，实现对低压电网故障的实时监控和预警。其中，数据检测和控制以井下电气PLC系统为核心，传输网络并入井下采煤设备监控主干网，井上PC端软件模块可对整体电网的用电安全进行宏观监控。

针对漏电、短路、断相和过载等故障，其监控网络架构见图3. 其中，信号采样单元主要负责电压、电流、负序信号、相敏信号等模拟量的采集、整理和基本逻辑判断，PLC逻辑处理单元负责信号的转化、计算、定时和高级逻辑判断，PC端软件则以画面等形式显示运行状态和报警信息。

图3 井下低压电网事故监控网络架构图

4 结 论

针对煤矿井下低压电网的用电安全性和稳定性，本文首先对井下低压电网常见的漏电、短路、断相和过载故障的发生机理、危害和防护措施等进行了研究，提出了相应故障的检测手段，并以此为基础将各种用电安全检测数据纳入到矿井生产现代化监测系统中，实现对低压电网故障的实时监控和预警。本文研究内容对矿井低压电网综合保护系统的建立具有重要参考意义。

[1] 张延杰.煤矿井下低压漏电故障排查[J].矿业装备，2014(3)：76-77.

[2] 李 鹏.煤矿井下低压供电系统漏电故障的分析与处理[J].煤矿机电，2016(4)：68-69,73.

[3] 邓建忠,杨旭彬,侯旭斌.煤矿电缆常见故障查找实践[J].煤,2015(12):41-42，71.

[4] 张玲玲.矿井低压供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究[D].辽宁工程技术大学,2006.

[5] 刘东晓,王 广.平煤集团六矿低压馈电开关系列化改造[J].煤矿机械,2009,30(4)：136-138.

Study on Protection Technology of Common Fault of Underground Low Voltage Power Network

MA Jian

In view of the safety and stability of low-voltage power network in coal mine, firstly studies the mechanism, harm and protection measures of leakage, short circuit, phase failure and overload fault in underground low voltage power network. Analyzes the construction method of low-voltage power grid safety monitoring network, and the content of this paper is of great reference significance to the establishment of integrated protection system for mine low voltage power network.

Coal mine; Low voltage power network; Fault; Protection

2017-02-10

马 健(1982—)，男，河北阜城人，2007年毕业于山西农业大学，助理工程师，主要从事煤矿机电方面的技术工作

(E-mail)592652621@qq.com

TD611

B

1672-0652(2017)04-0048-03