煤礦井下低壓電網常見故障防護技術研究

馬 健

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

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·專題綜述·

煤礦井下低壓電網常見故障防護技術研究

馬 健

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

針對煤礦井下低壓電網的用電安全性和穩定性，分析了井下低壓電網常見的漏電、短路、斷相和過載故障的發生機理、危害和防護措施等，介紹了相應故障的檢測手段，并以此為基礎，提出低壓電網用電安全監控網絡的構建方法，本文研究內容對礦井低壓電網綜合保護系統的建立具有重要參考意義。

礦井；低壓電網；故障；防護

近年來，隨著我國煤礦機械生產能力的提高和先進綜采技術的快速普及，煤炭回采率和礦井的安全性得到大幅提升，同時也對礦井低壓供電系統的穩定性、連續性提出了更高要求。而井下巷道和工作面環境惡劣，如：高粉塵、高濕度、強震動、含硫腐蝕性介質大量分布等，極易引起低壓電網線路絕緣層強度降低，絕緣性能退化。加之機械和電氣設備移動頻繁，設備操作和維護不當等原因，最終導致線路漏電、斷裂等故障，嚴重危及井下人身和設備財產安全[1-3].

我國煤礦安全生產規程也對低壓配電網絡的事故防護提出了具體要求，并對線路布置、防護設備選用等做了規定，但對于不同井下工況，需進行針對性地研究和規劃。因此，為保證井下低壓供電系統在煤礦采掘和運輸過程中的可靠性，需對該系統常見故障的發生機理、危害和防護技術等進行研究，制定一套集故障監測、反饋、預警于一體的，能有效確保供電系統穩定、降低事故發生率和影響范圍、提高人身和設備安全的低壓電網故障防護體系。

1 礦井低壓電網供電方式

我國煤礦常見供電方式包括深井供電和淺井供電兩種，都是通過井上變電所的主變壓器，經過電壓調制后由供電線路送至井下的中央變電所，然后再分別送至位于各采區變電所，最后再由各變配電設備和供電網絡將電能輸送到巷道、綜采工作面等處，為設備運轉、通風、照明等用電負荷提供能源[4,5]. 其中，末級變電設備為位于各采區的固定或移動式變電所，該設備一般采用高壓控制開關、干式變電器、低壓饋電和綜合保護的三位一體組合方式，雖然已具備了一定的故障防護能力，但已不適應當前煤礦井下現代化故障監測系統的建設，因此有必要對礦井低壓電網常見故障防護系統進行研究和建設。

2 煤礦井下低壓電網常見故障及防護原理

煤礦井下低壓電網常見故障包括漏電、短路、斷相和過載等，其中漏電和短路故障發生率較高，危害較大，是故障防護的重點。

2.1 漏電故障及防護

1) 漏電故障及危害。

對于采用中性點絕緣的礦井低壓電網，其三相電纜中的某一相或幾相對大地的絕緣電阻值降低至某一數值時認為該條線路發生漏電事故。井下漏電可分為集中性漏電和分散性漏電，前者是指線路中某一位置發生漏電，而其余位置仍處于較高的對地絕緣的情況，后者是指整條線路的對地絕緣性降低。對于集中性漏電，一旦發生，絕緣部分將承受較高的電壓，長期作用將導致絕緣層被擊穿，引起短路和火災事故，危害顯著。

井下工作空間有限，頂板和側幫墜物較多，因此電纜絕緣層極易被破損。據統計，漏電占整個低壓電網事故發生率的70%～80%，且容易引起次生事故，危害較大。采取切實有效的漏電防護措施，對于保證井下用電安全性具有重要意義。

2) 漏電事故防護原理。

漏電事故的防護采用零序電流方向檢測原理，這是一種針對單一漏電線路的，具有選擇性的漏電保護方法。其原理是在三相電網中，發生漏電或人身觸電時，三相對地電壓向量不再對稱，在分支各線路中產生了零序電壓U0和零序電流I0，而流經漏電點和人體的電流為各分支電流之和。零序電流分布示意圖見圖1.

圖1 井下漏電事故零序電流分布示意圖

從電流方向看，發生漏電故障分支線路的電流從分支母線流向大地后，又再次通過漏電位置流回本分支母線；而正常線路的電流從分支母線流向大地后未返回。由此可知，兩者相位相反，相對于母線上的零序電流，發生漏電的線路的零序電流相位滯后90°，而正常線路相位超前90°.因此，可通過檢測零序電流I0的方向來確定漏電故障發生支路。

2.2 短路故障及防護

1) 短路故障及危害。

短路是煤礦井下低壓電網的常見嚴重故障，一般是指供電系統中相與相、相與地等不等電位的導體之間發生意外短接的現象。引起短路的原因與漏電故障相似，主要是絕緣層損壞導致的連通。對于三相供電網，可分為單相、兩相和三相短路等3種情況，前兩者發生時，三相線路中的電流和電壓向量不再對稱，而三相短路時，以上參數仍然對稱。

當發生短路故障時，由于通路電阻值減小，電流由正常值突然增大，線路發熱加劇，阻抗增大，因此經過一段陡增的瞬態過程后，電流逐漸趨于新的穩定，但仍處于較高水平，極易誘發火災。

2) 短路故障防護原理。

井下常見型號電機在啟動瞬間的電流為其工作額定電流的4～8倍，并且隨著供電線路的延長和用電負載的增多，電機啟動產生的瞬間電流值與短路電流比較接近，因此采用傳統的幅值比較的方法已難以辨認。但是，井下電機的電感值較大，因此在啟動瞬間的功率因素cosφ僅為0.3～0.5；而短路線路由于電感值極低，其功率因素接近1，因此兩者對比明顯，這就是相敏檢測原理，可作為短路故障的判定依據，相敏檢測判斷短路故障圖見圖2.

圖2 相敏檢測原理判斷短路故障圖

實際生產中，可將幅值檢測與功率因素檢測相結合，即將電流值與功率因素的乘積(I·cosφ)作為短路故障保護的啟動參數，由此可提高檢測的靈敏度和準確性，有效防范短路危害。

2.3 斷相故障及防護

1) 斷相故障及危害。

斷相是指三相供電線路的其中一相斷開，此時電機仍可運轉，但處于非正常工作狀態。斷相原因一般分兩類：a) 因墜物等故障導致單相線路損壞折斷，發生概率較小。b) 對于安裝有短路保護熔斷器的電網，發生短路時其中一相的保險絲發生熔斷，從而導致斷相。

斷相事故發生后，該相的電流變為零，其余兩相電流相等，方向相反，電網中出現負序電流，電流幅值增大至原值的1.732倍，導致電機過負荷，電機發熱加劇，甚至燒毀。

2) 斷相故障防護原理。

正常三相電網中，各相電流向量對稱，因此線路中只有正序分量。而斷相故障發生后，對稱性被打破，在電路中產生了負序電流，因此采用負序檢測原理可及時發現斷相故障，便于及時修復。

2.4 過載故障及防護

1) 過載故障及危害。

當井下負載增多、負荷增大、電壓升高時，輸電線路、變壓器和電機等設備中的電流值將增大，高于其額定電流，此時電網負荷過載。一般情況下，程度較輕、短時的過載故障導致的設備溫升較小，對用電安全威脅較小，因此允許采用一定程度的延時跳閘保護措施；但嚴重過載故障將導致電線和電機等設備嚴重發熱，引起設備燒損和火災事故，因此要求快速跳閘保護。

2) 過載故障防護及檢測原理。

與短路相比，過載電流相對較小，區別明顯；而與斷相故障相比，兩者增大電流值相差不大，因此單純依靠電流檢測無法判斷過載故障。實際上，過載與斷相的差別在于，斷相后的電流相位不再對稱，而過載電流相位不變，所以可結合相位和電流檢測兩種手段進行過載判定，然后根據過載電流大小決定延時保護時間。

3 煤礦井下低壓電網事故防護技術應用

在對井下低壓電網常見故障發生原理、危害和防護方法進行研究基礎上，有必要將各種用電安全檢測數據納入礦井生產現代化監測系統中，實現對低壓電網故障的實時監控和預警。其中，數據檢測和控制以井下電氣PLC系統為核心，傳輸網絡并入井下采煤設備監控主干網，井上PC端軟件模塊可對整體電網的用電安全進行宏觀監控。

針對漏電、短路、斷相和過載等故障，其監控網絡架構見圖3. 其中，信號采樣單元主要負責電壓、電流、負序信號、相敏信號等模擬量的采集、整理和基本邏輯判斷，PLC邏輯處理單元負責信號的轉化、計算、定時和高級邏輯判斷，PC端軟件則以畫面等形式顯示運行狀態和報警信息。

圖3 井下低壓電網事故監控網絡架構圖

4 結 論

針對煤礦井下低壓電網的用電安全性和穩定性，本文首先對井下低壓電網常見的漏電、短路、斷相和過載故障的發生機理、危害和防護措施等進行了研究，提出了相應故障的檢測手段，并以此為基礎將各種用電安全檢測數據納入到礦井生產現代化監測系統中，實現對低壓電網故障的實時監控和預警。本文研究內容對礦井低壓電網綜合保護系統的建立具有重要參考意義。

[1] 張延杰.煤礦井下低壓漏電故障排查[J].礦業裝備，2014(3)：76-77.

[2] 李 鵬.煤礦井下低壓供電系統漏電故障的分析與處理[J].煤礦機電，2016(4)：68-69,73.

[3] 鄧建忠,楊旭彬,侯旭斌.煤礦電纜常見故障查找實踐[J].煤,2015(12):41-42，71.

[4] 張玲玲.礦井低壓供電系統選擇性漏電保護理論及其應用研究[D].遼寧工程技術大學,2006.

[5] 劉東曉,王 廣.平煤集團六礦低壓饋電開關系列化改造[J].煤礦機械,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

馬 健(1982—)，男，河北阜城人，2007年畢業于山西農業大學，助理工程師，主要從事煤礦機電方面的技術工作

(E-mail)592652621@qq.com

TD611

B

1672-0652(2017)04-0048-03