礦井電網漏電保護的研究

胡延東

(深圳市坤邑紫垣科技有限公司，廣州 深圳 518000)

1 引言

煤礦井下空氣潮濕，空間狹窄，光線不足，工況惡劣，對在這條件下運行的電氣設備絕緣提出了更高要求。而礦用電纜是供電系統中的薄弱環節，尤其是一些采掘設備的拖曳電纜，易受磨損或擠壓，經常會出現漏電，造成絕緣下降或單相接地。漏電不僅導致電氣設備損壞或人身觸電，還會造成單相接地，進而發展成相間短路，而且在含有瓦斯、煤塵爆炸等危險環境中，其產生的火花還可能造成瓦斯、煤塵爆炸等危險。據不完全統計，漏電故障約占煤礦井下電氣故障的70%［1］。因此，研究漏電的特征，采取切實可行的漏電保護措施，對井下安全供電具有重要意義。

在煤礦井下供電系統中，當其中的帶電體某點對大地的絕緣阻抗降低到一定程度時，該處就出現了漏電故障。而系統中設置漏電保護的主要目的就是通過快速切斷供電電源，防止人身觸電傷亡和漏電電流引起瓦斯、煤塵爆炸。

為了有效實現漏電保護和防止故障擴大，煤礦井下電氣系統中的漏電保護裝置應滿足以下要求［2］:

(1)具有漏電閉鎖和漏電保護兩種功能，并實時檢測供電電網對地的絕緣電阻;

(2)電網對地絕緣電阻降低到一定程度時，應立即動作，并切斷供電電源;

(3)保護迅速，其動作時間要小于30ms;

(4)動作靈敏可靠，不能拒動和誤動。

2 漏電保護原理

漏電保護是煤礦井下安全供電的三大保護之一。其不但要實現在負荷運行前，對供電電纜或者負荷的絕緣水平進行檢測，而且檢測到對地絕緣電阻下降到一定程度時閉鎖合閘回路，阻止負荷投入運行。此外，在運行過程中實時檢測電網對地絕緣電阻，一旦電阻值降低到設定值，立即斷開供電電源。

根據檢測物理量不同，所形成的漏電保護原理和裝置較多［3］，但從適用于井下供電系統的漏電保護原理來看，主要有附加直流電源檢測原理、利用三個整流管保護原理、零序電壓保護原理、零序電流保護原理及零序功率方向保護原理［4，5］。

2.1 附加直流電源檢測

附加直流電源檢測原理是用附加在電網與地之間的直流電源來檢測電網是否發生漏電故障。

其保護電路由附加直流檢測電源、三相電抗器、限流電阻、雙T濾波、高通濾波、信號取樣等組成，原理框圖如圖1所示。

由圖1可知，直流電流經U的正極通過電網對地電阻、三相電抗器SK、限流電阻R、濾波電路形成回路，回路中的直流電流為:

圖1 附加直流電源檢測原理

式中，RΣ為回路中三相電抗器、限流電阻、濾波電路中的等效電阻;rΣ為三相電網每相對地的絕緣電阻并聯。當漏電保護電路確定后，RΣ和附加直流檢測電源不隨電網絕緣電阻的波動而變化。由此可見，通過直流電流I可以反映電網的對地絕緣電阻rΣ，調節電路中取樣回路中的電阻，可以改變電網中的漏電保護電阻值。

2.2 利用三個整流管保護

利用三個整流管設計的漏電保護如圖2所示。

圖2 三個整流管保護原理

圖中，三個整流管一端分別接到電網的三相上，而另一端連接在一起經繼電器或者負載電阻接地。由于供電變壓器中性點不接地，經過三個整流管整流后的直流電流，經過負載電阻和三相電網對地絕緣電阻，返回電源。由三相電源的波形圖不難看出，在第一個三分之一周期內，A相電壓大于B、C兩相，A相的整流管導通，電流由A相的電源流出，由絕緣電阻RB、RC返回電源的另兩相，這兩相的整流管在反向電壓的作用下，處于截止狀態。同理，B相、C相的整流管依次間隔120°導通，其導通后形成的電壓均為:

負載電阻中的平均電流為:

2.3 零序保護原理

2.3.1 漏電故障分析

O為供電變壓器中心點對地電壓分別為各相對地電壓，其對地電壓為:

通過各相對地電阻和對地電容電流分別為:

式(6)中，RA、RB、RC為供電電纜對地等效絕緣電阻;XA、XB、XC為供電電纜對地容抗。

式(5)代入式(6)得

當A相發生漏電故障后，電網中有電流通過漏電電阻RL進入大地，由基爾霍夫定理可知:

式中，R和X分別為在三相線路對地絕緣電阻和電容。

圖3 供電電網中零序電壓和零序電流

由式(7)可見，發生漏電故障時，電網對地電流由兩部分組成，一部來自電網相電壓，另一部分由零序電壓產生，即為零序電流。

由上式可見，電網漏電后，漏電電流等于電網各相對地的零序電流之和，且它們的相位相反。在三相電網中，當發生不對稱性漏電故障時，必然產生零序電壓，它在三相電網對地電容中就會產生零序電流，通過檢測零序電流大小，可以判斷線路是否發生漏電故障。

2.3.2 零序功率方向保護原理

在中性點對地絕緣的供電系統中，當有多個分支線路時，其漏電電流分布如圖4所示。

圖4 漏電故障的零序電流分布特點

如圖4所示的三條支路L1、L2、L3，當L3支路的A相發生接地故障時，全電網A相對地電位均為零，對地電容被短接，而B、C兩相對地電壓變為線電壓，在各自電壓的作用下形成電容電流，其電流分別為

流過故障支路零序電流互感器的電流是各個支路電流與故障支路電流的矢量和，其為

從上述不難看出，多個分支線路中有支路發生漏電時，有以下特點:

(1)非故障支路中的零序電流分別為本支路的電容電流，方向由母線流向線路;

(2)流過故障支路的零序電流是其他所有非故障支路電容電流之和，方向由線路流向母線，與非故障支路方向相反;

(3)故障支路的零序電流為其余各支路零序電流之和。

零序功率方向保護原理就是利用零序電流與零序電壓的相位的關系來實現供電電網線路的選擇性漏電保護，通過檢測不同支路零序電流的相對方向來判斷出漏電支路。

3 結語

在各種漏電保護原理中，附加直流電源檢測保護沒有選擇性，當整個電網的任何地方發生漏電時，直流檢測回路都會形成回路，使漏電保護動作。利用三個整流管保護，不但沒有選擇性，而且隨著電源電壓的波動，整流以后的平均電壓發生變化，因而動作電阻值也隨著變化。采用零序電壓實施漏電保護時，動作值不固定、動作無選擇性、不能檢測絕緣電阻的對稱下降。零序電流保護時動作電阻值不固定，僅適用于分支線路較多、電網對地分布電容較大的場合。零序功率方向保護是通過比較零序電流和零序電壓之間的相位來實現漏電保護，其不但可以實現選擇性漏電保護，需要的零序電流小，靈敏度高。綜上所述，不同的漏電保護原理，具有不同的特點和使用條件，因此，需要根據現場供電電網的情況和要求，選用不同的漏電保護裝置，以實現煤礦井下電氣系統可靠的漏電保護。

［1］王虹橋.附加直流電源的電纜絕緣在線檢測新法［J］.煤炭科學技術，2000，28(4)，19 －21.

［2］趙全福，等.煤礦安全手冊 第十一篇 電氣安全技術［M］.北京:煤炭工業出版社，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］牟龍華，孟慶海，胡天祿.基于故障分量有功功率的選擇性漏電保護［J］.中國礦業大學學報，2002，31(4).

［5］宋建成，等.礦井電網過電流特征分析及其保護系統的研究［J］.煤炭學報，2001，26(1).