基于无线网络技术的井下漏电保护系统研究

王朝

（太重煤机有限公司 技术中心，太原 030032）

0 引言

漏电事故是煤矿井下电力系统的主要故障之一，其发生率高、危害大、波及面广，可能引起人身触电、相间短路、火灾、粉尘爆炸等事故，因此是煤矿设备故障监测的重点。我国煤矿低压电网电压一般为660 V或1140 V，为减小漏电电流，按要求采用中性点不接地或经消弧线圈接地的接线方式。低压电网提供了井下绝大部分设备的运转动力，因此相应电缆网络分布广泛，与周边物理环境密切接触，在生产过程中容易出现绝缘层损伤、老化加速等情况[1-3]。由于井下电缆漏电故障的发生点较多，定位困难，因此对生产的连续性造成较大影响。为解决这一问题，现代井下供电网络多采用选择性漏电保护技术，可较好地对漏电事故的发生时间和地点进行监测，并及时切断故障支路供电，降低事故影响。

1 技术对比

传统的漏电保护系统的信息传输采用有线传输方式，因此线路布置复杂，受损概率较大，且无法灵活组网，因此其网络的覆盖范围、复杂程度受到较大限制。针对以上缺陷，在近年来快速发展的近距离无线传输技术（如ZigBee）基础上，本文将重点对其在煤矿井下漏电保护系统中的应用进行研究。该技术可将各支路的连通状况经由无线网络进行快速传输，因此其组网方式更加灵活，可覆盖的井下范围更大，且传输设备受到物理损伤的概率降低，可实现漏电故障的快速和准确定位。同时，以ZigBee为代表的无线传输技术，抗干扰能力强，成本低，系统功耗小，因此较为适合井下的恶劣工况，完全可以满足对线路零序电压/电流信号的采集和传输[4-5]。

2 漏电故障检测方法

2.1 井下低压电网结构

煤矿井下低压供电系统结构如图1所示，井上高压电源经电缆输送至井下高压配电装置，然由变压器等设备转化为660 V或1140 V可用电压。其中T为井下变电站或移动变压器，Z为线路总馈电开关，F为分支线路馈电开关，Q为用电设备端的磁力启动器，M为用电负载。该系统为三级防护网络，可实现对漏电等电气故障的准确定位和排除。

图1 井下低压电网组成结构

2.2 总线漏电防护技术

总馈电开关位于总线的变压器后方，可作为选择性漏电防护系统的备用方案，在支路漏电保护失效的情况下，保护主干线路的安全，因此也称为主防护。总馈电开关的漏电防护采用附加直流电源检测法，其原理如图2所示，当漏电事故发生时，各相的电缆线的对地电阻值会显著下降，因此可通过在总馈电开关位置增加一处直流电源来监测电压U2的变化，以此来判断是否发生漏电。

图2 总馈电开关的漏电保护原理

如图2所示，直流电源提供的电流I从正极流出，并经电阻R2流向大地，然后通过各相绝缘电阻r1、r2、r3最终流回电网，再经过电阻抗LC、电阻R1等流至直流电源负极，形成完整回路，其中电流I的计算公式如下：

其中

则特征电压U2计算公式如下：

当检测到U2降低至设定值以下时，认为应启动总线漏电保护机制，此时将切断线路总电源，保护电网安全。

2.3 分支线路漏电防护技术

正常线路中，三相电压的矢量值是相等且对称的，相互之间相位差为120°，可表示为而当线路发生单相漏电时，该相的对地电阻显著下降，电网中性点与大地的电位不再相等，因此在线路中产生了零序电压U˙0和零序电流I˙0，其中的零序电流主要为电容电流。

图3 井下供电网络支路漏电模型

图4 基于无线网络的漏电保护系统的硬件组成

对于分支线路的选择性漏电保护，可采用基于零序电压和电流检测的零序电流方向法。如图3所示，在某包含多条分支线路的井下供电网络中，ZCT1、ZCT2、ZCT3为对应支路起始端布置的零序电流互感器。当某一支路发生单相漏电时，非故障支路中的零序电流从母线方向流入，然后经对地电容和电阻后流入大地，并最终在漏电故障点汇集后进入故障支路；而对于故障支路，其零序电流从对地电容和电阻流入大地后，又从故障点流回该支路，并最终流向母线，所以故障支路的零序电流大小是所有支路零序电流之和，且故障支路与非故障支路的零序电流相位方向相反。另外，相比于母线中的零序电压，故障支路的零序电压相位滞后90°，而非故障支路则超前90°。以上结论可作为故障线路的选判依据。

3 基于无线网络漏电保护的硬件设计

基于无线网络的漏电保护系统的硬件组成如图4所示，主要由信号采集和无线信号传输模块、协调器模块、上机位等组成。其中信号采集模块主要利用零序电压和零序电流传感器对零序电压和电流信号进行采集，然后经过滤波、数模转换等处理，将信号送入CC2530芯片。一般情况下，母线上的零序电压传感器按照设定间隔时间进行信号采集和发送，当母线零序电压信号未超过预设值时，CC2530芯片处于休眠状态，且其余支路的零序电流采集模块不启动；而当该信号超过预设值时，则CC2530芯片被激活，且支路的零序电流采集模块同时开始信号采集工作，由CC2530芯片对各信号进行分析，利用零序电流方向法找出漏电支路。然后，一方面，处理器控制相应支路的继电器发生动作，并控制馈电开关断开；另一方面，由无线信号传输Zigbee模块将故障信息传输至协调器节点，再经过RS485总线上传至上机位，地面工作人员在接收到故障警报后，根据所显示的故障支路信息，对相应漏电故障进行处理。

4 基于无线网络漏电保护的软件设计

图5 信号收集与传送程序流程图

对应于系统各硬件组成，基于无线网络漏电保护的软件部分主要包括信号收集与传送程序、协调器控制程序等。其中，前者的部分程序流程如图5所示，程序初始化完成后，向处理器发送请求加入Zigbee网络的信号，请求成功后，控制器开始计时，并控制母线上的零序电压传感器按照设定时间间隔测量零序电压，然后将数据发送至处理器，判断是否满足报警触发条件，该过程循环进行。支路零序电流信号的提取和发送与此类似，不再赘述。协调器控制程序的主要功能是对请求加入网络的信号进行应答，并为允许加入的节点分配网络地址，随后就可以接收各节点发送的数据，并转发至上机位。

5 结 论

针对煤矿井下电网中漏电事故发生频繁、排除困难等特点，本文首先对比分析了传统选择性漏电保护系统和基于无线网络的漏电保护系统的优缺点，然后阐述了煤矿配电系统三级防护网络的构成，在此基础上，分别对总线和分支线路上的漏电防护技术的原理和实施方法进行了研究，随后分别从硬件和软件两方面提出了基于无线网络技术的选择性漏电保护系统的构建方法。