矿用选择性漏电保护开关关键技术研究

魏慧娟(山西西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西 太原 030052)

矿用选择性漏电保护开关关键技术研究

魏慧娟
(山西西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西 太原 030052)

针对煤矿低压电网漏电事故的防护问题，介绍了井下常用的漏电防护技术，从漏电支路检测方法、漏电闭锁值计算等方面研究了选择性漏电防护原理，并对漏电保护硬件电路的组成及相关构造进行了设计。该研究成果对矿用选择性漏电保护开关的维护和开发具有重要指导意义。

煤矿；选择性漏电保护开关；硬件电路

煤矿井下环境复杂，巷道和采掘面内电气、机械设备较多，且移动频繁，容易造成各处电缆线绝缘层的破损，从而对井下操作人员产生漏电威胁。实际生产中，漏电故障约占井下电气总故障发生率的50%以上，容易引起人身触电，且触电瞬间产生的电火花可能引发粉尘和瓦斯爆炸。另外，对于我国煤矿电网普遍采用的中性点不接地的接线方式，虽然有效减小了触电电流，但也造成线路对地电压增大，容易击穿导线，造成相间短路，从而扩大事故影响范围。

常见漏电故障分为集中漏电和分散性漏电两种，其中分散性漏电是指较大长度范围内导线的整体对地电阻降低，而集中漏电是指电缆线某一点位的对地绝缘性显著下降，前者是电缆长期使用导致的绝缘层老化所致，后者由局部机械损坏引起，较为常见。为防止漏电造成人身触电等伤害，要求井下低压电网中安装专用漏电保护开关，保证在发生漏电故障时及时切断相关电源，本文将对此技术进行研究。

1 漏电防护技术

为防止井下漏电事故，保证煤炭生产的安全性和连续性，需要在井下电网系统中设置矿用漏电保护开关。漏电保护开关分为非选择性保护和选择性保护两类：非选择性漏电保护开关是指当系统检测到线路发生漏电时，无论故障点出现在何处，皆切断整个回路的供电，这种漏电保护装置不具备选择性，停电范围大，因此较少使用，但可作为系统安全的备用设施；选择性漏电保护开关是指通过特定的技术手段和算法对漏电故障支路进行定位，然后仅切断故障支路供电，从而缩短故障处理时间、减小事故影响范围。显然，后者是保障煤矿安全用电的首选，但如何在设备的灵敏度和稳定性之间寻求平衡仍是当前研究的重点。

2 选择性漏电保护原理

选择性漏电保护技术的重点是采用相适应的漏电支路检测方法，相关技术包括附加直流电源检测法、零序电流/电压检测法、零序电流方向检测法等。其中，零序电流方向检测的准确度和稳定性都较好，本文所研究的选择性漏电保护开关将采用这一技术。

2.1漏电支路检测方法

井下供电网络支路漏电模型见图1.

图1 井下供电网络支路漏电模型图

以上是对理想情况下的相位方向分析，而实际工况下，零序电流的相位方向还与线路特性等相关。假设图1中各支路的对地电阻分别为R1、R2、R3，对地电容为C1、C2、C3，则各支路的零序电流表示如下：

(1)

(2)

(3)

因此，流过故障支路的零序电流为：

(4)

由式(4)可知，各支路的对地电阻和电容值也会影响线路中零序电流和电压的相位差。而井下环境条件多变，线路的长短、老化程度和绝缘性等都随之变化，此时各支路零序电流和零序电压的相位差不再是90°. 漏电故障时线路中的零序电流和零序电压向量图见图2.

图2 漏电故障时线路中的零序电流和零序电压向量图

2.2漏电闭锁电阻值计算

漏电闭锁是井下线路漏电保护的另一重要措施，其原理是利用监测仪器对电网各支路进行不间断的监控，当检测到线路对地绝缘电阻下降到一定数值时，阻断开关通电，实现漏电闭锁，从而有效防止漏电线路得电及事故扩大。一般规定流过人体的安全电流小于30 mA·s，因此可将此作为线路最小绝缘电阻的计算依据。正常情况下，干燥的人体皮肤电阻值较高，可达10 kΩ，但当井下环境潮湿，体表有汗液时，人体的电阻值急剧降低至1 kΩ. 对于常用的660 V低压电网，其绝缘电阻计算如下：

(5)

对于直流电网，各线路绝缘电阻为并联关系，则漏电闭锁电阻值为：

(6)

为最大程度保证用电安全，一般将漏电闭锁的安全系数设置为2，即漏电闭锁电阻值提高至计算值的2倍，为22 kΩ.

3 选择性漏电保护开关硬件电路设计

3.1硬件电路总体设计

判断选择性漏电保护开关性能优良的关键是其稳定性和快速性。稳定性是指该开关对发生线路漏电故障的判断，可保持较高的准确性；快速性是指该开关能够在判断发生漏电故障时，及时发出跳闸指令，保证人身安全。为满足以上条件，本文所研究的选择性漏电保护开关的硬件电路总体设计方案如下，见图3.

图3 选择性漏电保护开关硬件电路总体设计方案图

1) 为满足稳定性要求，拟采用上述零序电流方向法进行漏电故障检测，即通过对比各支路零序电流与母线零序电压的相位差，判断发生故障的支路。

2) 为满足快速性要求，用于进行比相的零序电流和零序电压的调制和比对过程应采用硬件电路实现，因为相关软件的稳定性和反应速度明显较低。

因此，选择性漏电保护开关的电路结构主要由零序电流调制电路、零序电压调制电路和相位比较电路3部分构成，最终驱动是否进行跳闸保护。其中，零序电流调制电路是对采集到的零序电流信号进行过零比较、积分、标准值对比等操作，最终得到用于比相的脉冲信号；零序电压调制电路是对零序电压信号进行移相、比较等操作，得到可用于比相的脉冲信号；而相位比较电路可对调制完成的零序电流和电压信号进行相位比较。对于非故障支路，两种输入信号的相位相反，相互抵消，因此输出信号表现为低电平或极窄的脉冲信号；而故障支路中，两输入信号相位相同，因此输出信号为正向高强度脉冲信号。最后，将输出的不同宽度的脉冲信号转化为不同幅值的电压信号，并与PLC给出的标准值进行对比，从而确定该支路是否发生漏电故障。

3.2信号调制电路

零序电流调制电流图见图4，零序电压调制电流图见5.

图4 零序电流调制电流图

图4中电阻R9与二极管D5/6并联后，对幅值较高的信号进行限流，从而保护比较器U3A和U3B. 以上两比较器可分别对正/负值域内的零序电流信号进行过零比较处理。然后，利用上拉电阻R11、R12和积分电容C2、C3等，将过零比较后的信号转变为锯齿波形，再与参考值进行比较，最后输出调制后的用于比相的信号。

图5中移相电路部分由集成运算放大器U1A，电阻R1、R2、R3，电容C1组成，而比较器U2A、U1B主要对移相后的零序电压进行过零比较。U01和U02为最终输出的用于比相的电压信号。

3.3相位比较电路

零序电压和电流信号经调制后变为统一的方波形式，在相位比较电路中，首先对U01和I01、U02和I02进行“与门”操作，再经U5A“或门”将信号转变为周期性的脉冲信号Us.由R22、R24和Q1组成的开关器可检测脉冲信号Us的电平高低，并据此控制三极管Q1的导通和积分电容C4的放电情况。U7C为电压比较器，负责将脉冲信号积分后的电压与PLC输出的标准电压进行对比，当前者较大时，U7C输出一个较高的电平，则电路保持畅通，反之，相位比较电路输出Uout高电平，使线路开关跳闸。相位比较电路图见图6.

图6 相位比较电路图

4 结 论

针对煤矿低压电网漏电事故的防护问题，本文介绍了井下常用的漏电防护技术，研究了选择性漏电防护原理，包括漏电支路检测方法、漏电闭锁值计算，及漏电保护硬件电路的组成及相关构造等，本文研究成果对矿用选择性漏电保护开关的维护和开发具有重要指导意义。

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ResearchonKeyTechnologiesofSelectiveLeakageProtectionSwitchforCoalMine

WEIHuijuan

In order to solve the problem of leakage protection in low voltage power network in coal mines underground, the paper presents the leakage protection technology commonly used and studies the principle of selective leakage protection, including branch-leakage detection method and setting current leakage lock. Hardware composition and related circuit structure were redesigned. The research results are of great significance to the maintenance and development for underground selective leakage protection switch.

Coal mine; Selective leakage protection switch; Hardware Circuit

·试验研究·

2017-07-03

魏慧娟(1966—)，女，山西定襄人，2016年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿综采工作面机电安装设计方面的工作(E-mail)tzzdrzdr@163.com

TD611+.5

B

1672-0652(2017)10-0016-04