邢臺礦選擇性漏電保護的研究

郭旺

摘 要：隨著煤礦安全意識的加強，人們逐漸意識到煤礦選擇性漏電保護的重要性，現如今選擇性漏電保護設備魚龍混雜，選擇一臺能準確實現選擇性漏電保護的設備很重要。

關鍵詞：煤礦用電安全；漏電保護安全；電纜絕緣老化；開發智能產品

中圖分類號： TD611 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）36-174-2

1 概述

邢臺煤礦建礦于1968年，1969年投產，是一個年產量二百萬頓左右的大礦井，作為一個有著將近50年歷史的老礦井，井下巷道錯綜復雜，高、低壓電纜更像是人體的血管一樣錯綜復雜，有巷道的地方基本電纜都會存在，長度可達上百千米，邢臺礦老巷道居多，瓦斯和電纜接觸的地方甚多。而且由于巷道變形、頂板壓力、掉石、機械擠壓等原因電纜被砸或受擠壓的地方較多，特別是低壓橡套電纜，最容易受機械損傷而引起漏電。所以說，我礦井下電網的電纜是漏電最主要的環節。根據煤礦用電安全規程，邢臺礦井下供電中性點是經過消弧線圈接地的，如果發生單相接地性故障，其漏電電流遠遠小于負荷電流，既不會影響電氣設備的運行，又不容易被察覺，這提高了井下供電的可靠性，然而當工作人員接觸到有漏電的電纜或者電氣設備時，雖然不會造成嚴重的觸電事故，但是漏電電流流入大地時產生的電火花有可能造成火災或瓦斯、煤塵爆炸。瓦斯爆炸條件是當空氣中的瓦斯濃度達到5%—15%，并遇到明火時，便會引起爆炸。煤塵爆炸的條件是空氣中煤塵含量大于45g/m3時，并遇到明火時；防止瓦斯煤塵爆炸可從兩方面采取措施；一是加強通風，降低空氣中瓦斯的濃度和煤塵含量；二是控制井下引爆的明火。井下的防爆設備有效的克制了電氣設備的電火花。然而，井下錯綜復雜的電纜是不防爆的，易受損傷的。當電纜受損，絕緣下降，便有可能漏電，產生漏電電流，這樣的漏電電流成為了井下主要的明火源。目前邢臺礦井下采掘工作基本是井下巷道作業，作業空間狹小，掘進和回采時機械、運輸設備要隨工作面的延伸而移動，尤其是井下低壓電纜，遍布整個礦井，巷道掘進和采煤時煤塵極大，瓦斯會時常涌出，井下電纜和電氣設備會長時間處于瓦斯和煤塵中，而且井下空氣潮濕，電纜極容易受潮，使電纜更容易發生漏電。漏電電流的存在對于礦井安全和人身存在很大的隱患，所以邢臺礦現今選用了附加直流的方式來實現漏電保護的。

2 漏電保護的意義

附加直流漏電保護是利用直流檢測電源、直流檢測回路、信號取樣回路和控制回路，在三相電網中增加一個獨立的直流電源，使之作用于三相電網與大地之間，三相對地的絕緣電阻上則會有直流電流流通，有效檢測該電流大小的變化，就可實現漏電保護，但是這樣的漏電保護裝置不能有效地實現選擇性漏電保護，雖然發生漏電保護切斷主回路，但是次級回路依舊是錯綜復雜，電纜分布在不同的巷道，每項電纜檢測非常困難，一般在發生漏電保護后，動力科會出動數十人乃至百人下井檢查電纜，測電纜絕緣，有的時候在不能精確判斷電纜是否漏電的情況下會更換電纜，這樣既浪費人力物力，又耽誤生產時間，所以結合當前形勢改進該礦漏電保護裝置勢在必行。

3 漏電保護措施

①邢臺礦漏電保護改進方向是能實現選擇性漏電，盡量減少誤動作，可以人性化的選擇發生漏電后動作不動作，還有多長時間的動作。20世紀90年代，在選擇性漏電保護設備中普遍選擇的是利用零序電壓、零序電流、零序電流方向和零序功率方向的方法來實現選擇性漏電保護的，零序電壓是中性點不接地的供電網絡中，當某一項有漏電發生，則該相對地絕緣降低，該項對地電阻變小，三相對地電阻不平衡，造成中性點向著發生漏電這一項漂移，從而產生了零序電壓，零序電壓的方向漏電相相對其他兩項是相反的，零序電流在發生漏電瞬間產生了零序電壓，零序電壓的產生必將產生零序電流。零序電流方向法是根據電纜在發生漏電的一瞬間，電網中性點漂移，產生零序電壓，三相中漏電相和其他兩項零序電壓方向相反大小相同，所以漏電瞬間零序電流互感器就能判斷出哪項發生漏電，從而有效地切除該回路。零序電壓原理實際上反映的是電網對地絕緣阻抗的相對不平衡情況，而非絕對數值。在三相電網對地絕緣阻抗對稱下降時漏電保護裝置不會動作，另外在多點接地系統中，由于各臺零序電壓保護裝置所反映的零序電壓是一樣的，一旦發生漏電或接地故障，所有這些保護裝置都將動作，也就不具有選擇性。零序電流原理，是利用發生漏電故障時故障支路和非故障支路的零序電流大小不同可以判斷出故障支路，從而實現了選擇性[1]。零序電流方向原理是當三相電網發生一相漏電或接地時，各個分支線路中的零序電流不僅大小不同，而且方向也不一樣。利用零序電流方向不同區分故障支路和非故障支路，達到選擇性保護的目的。但是零序電流保護裝置和零序電流方向保護裝置都往往受著電網條件的限制，僅適用于分支線路比較多、電容比較大的場合。

②零序功率方向法是結合了零序電壓、零序電流、零序電流方向的綜合方法來實現選擇性漏電保護的，其原理和零序電流方向是一樣的，在漏電瞬間產生的零序電壓方向不同，產生的零序電流方向也不同，這樣零序功率方向也會不同，不僅利用零序電壓和零序電流的幅值大小供電系統內是否發生漏電和哪條支路發生漏電，同時還利用各支路零序電壓和零序電流的相位關系來判斷漏電支路。這樣做不僅達到了很好的選擇性的目的，零序功率方向法是綜合其他三種方法，這樣能精確地確定漏電支路還能減少誤動作，提高選擇性漏電的準確性。雖然在理論上零序功率方向來實現選擇漏電保護是很準確的了，但是根據這個理論做出的選擇性漏電保護的設備發生誤動作的頻率很高，這使得無論是廠家還是研發人員都為這個問題所困擾，為什么在理論上的東西，應用到現實設備中就有這么大的差距呢，這種不成熟的選線裝置的弊端是什么成了科研人員研究的對象。

③隨著研究的深入，科研人員發現漏電信號是非常弱和非常難以采集的一種信號，由于中性點非有效系統接地時故障電流太小，其較弱的穩態量易受干擾；而較大的暫態特性受到系統參數的影響和約束，所以人們采用了注入信號的方法來實現選擇性漏電，但是由于注入信號容易受到電網干擾和一些磁場的干擾，影響信號的特征和穩定性，使得設備的運行不穩定，選擇性漏電保護裝置觸發也不穩定，不能有效地實現選線。單項接地漏電故障之所以很難實現選線，是因為故障穩態分量小，補償電網失諧度的影響，線路長短及結構的影響故障，合閘角的影響、故障合閘角的影響、電流互感器特性的影響、電壓互感器特性的影響。各種選線方法都有局限性，目前普遍的適用性方法很難找到，如何解決好多種選線判據有效融合也是一個很重要的問題。

④該礦如今和中國礦業大學的盧其威教授在探討中表示在選擇性漏電方面需要一個有效的設備，盧教授推薦了王念彬博士的選線設備，王念彬博士開發的選線設備采用了小波包結合人工智能算法等方法實現選擇性漏電保護的。小波包是利用小波變換為基礎的，小波變換是把漏電電流方向、漏電電壓方向，在穩態和暫態狀態下分割成不同頻率，不同波形，每個波形經過傅里葉變換得到一組穩定的連續的小波包，經過人工智能算法的計算分析儲存，得到一系列的關于漏電選線的數據，存入數據庫。王博士的設備已經在礦井下試用一年之久，其報警準確率高，報警數據精確，誤動作少，得到了井下員工的認可。

目前有以下幾個方面需要進一步的探討和展望，將人工智能運用到選擇性漏電保護當中，計算機分析井下漏電保護的所有數據，不斷地完善自身的算法，不斷地完善內部動作值，結合自動控制理論，實現礦井下設備漏電保護的自動控制，當對設備不產生危害和對人員不產生危害的時候，只是發出報警信號，這樣對一些特定的設備或者不能立即斷電的設備可以采取預防措施，在采取一定措施后可以完成選擇性斷電，在故障處理完成后自動回復生產，并將本次故障所有過程記錄在內部分析計算，更加人性化地處理選擇性漏電。將人工智能和人工神經網絡相結合，組建一個大型的智能神經網絡系統覆蓋煤礦供電網絡，比如人體一個血管出血人的大腦可以準確地判斷出來什么地方疼痛，在發生漏電時，設備不僅可以判斷出來哪個支路發生漏電，并且可以判斷該回路的漏電流是不是可以造成危害，需不需要更換電纜，這樣不僅能及時準確地判斷出漏電支路，還能提供處理意見，不讓工人盲目地更換所有電纜，造成資源浪費。

4 結語

為了提高該礦井下供電的穩定性以及漏電保護的準確性，我們會調研市場最新的漏電保護產品，綜合自身的條件因素，選擇適合自己的選擇性漏電保護裝置，并且在條件允許的情況下，及時更新設備，達到最優的選擇性漏電保護，提高礦井完全。