選擇性漏電保護在礦用低壓饋電系統中的應用

喬利芳

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

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·技術經驗·

選擇性漏電保護在礦用低壓饋電系統中的應用

喬利芳

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

針對煤礦低壓供電系統常見的漏電故障，分析了煤礦三級饋電系統結構，對發生漏電故障時線路中零序電流的產生機理、測量方法和漏電支路選判依據等問題進行了研究，為選擇性漏電防護技術的實施提供了理論依據，在此基礎上，提出了選擇性漏電系統的硬件和軟件設計方案。本文研究內容可為煤礦選擇性漏電保護系統的應用提供重要參考。

煤礦；低壓供電；選擇性漏電保護；零序電流

隨著我國煤炭產量和生產能力的不斷提高，安全生產對煤炭企業的重要性愈加明顯。井下低壓電纜漏電事故的發生率較高，是影響用電安全生產的重要因素。雖然井下電纜都采用了可靠性和安全性較好的絕緣防護，但由于工況環境惡劣，存在腐蝕性介質，且濕度大、機械損傷概率大，因此井下輸電網中的漏電故障頻發。一方面，漏電故障若無法及時排除，其影響可能進一步蔓延，造成供電系統癱瘓，嚴重影響煤炭生產；另一方面，漏電位置產生的電弧可能引起瓦斯或粉塵爆炸，對井下操作人員和生產設備的安全性造成嚴重威脅[1-3]. 因此，對于煤礦井下低壓電纜的漏電事故，應及時處理。

一般地，漏電保護分為非選擇性保護和選擇性保護兩種，為避免一處漏電事故導致的整體電網斷電，一般采用選擇性漏電保護，即在保證漏電支路及時斷電的同時，其它非故障支路可正常供電，由此不僅減小了停電損失，也縮小了漏電故障的排除范圍。因此，開發出可靠性更高、更易實現、成本更低的選擇性漏電防護技術已成為漏電防護的主要發展方向，也是本文的研究重點。

1 饋電網絡基本結構

為防止井下發生人身觸電事故，我國煤礦低壓電網多采用中性點不接地的接線模式。同時，井下三級饋電控制網絡是選擇性漏電保護的基礎，見圖1，T為變電設備，Q1為總線路饋電開關，Q2為支路饋電開關，Q3為磁力啟動器，選擇性漏電保護設備一般安裝在Q1和Q2兩個位置。Q3磁力啟動器上設置漏電閉鎖功能，即二級選擇性漏電保護。上下級縱向的漏電選擇，一般通過動作延時來實現；而同級橫向線路的漏電選擇，可采用零序電流、零序電壓判斷等來實現。

圖1 井下三級饋電網絡結構圖

2 選擇性漏電保護原理

2.1 零序電流測量方法

對于發生接地故障時產生的漏電電流，其大小與線路的分布參數相關。線路分布參數越大，接地位置漏電電流越小。事實證明，通過單純增大線路的絕緣能力來降低漏電電流的局限性較大，在實際使用中效果并不理想。對于小電流接地系統，為防止產生漏電電弧，一般在線路中添加消弧線圈。一但發生相線接地，則由消弧線圈產生的感性無功電流和流過系統各電容中的容性無功電流的相位恰好反向，兩反相電流疊加的結果減小了故障點的實際電流值，從而極大提高了供電網絡的安全性[4-5].

對以上配置了消弧線圈的供電系統進行改造，將各條線路的起始端的消弧線圈改為三相平衡電抗器SK，然后電抗器末端中性點添加補償線圈LK，最終和大地連接，見圖2. 此外，還需要在三相平衡電抗器的前后線路上各添加1處零序電流互感器LH1和LH2，以測量電抗器前后的零序電流值。

圖2 零序電流測量圖

2.2 漏電故障下的線路零序電流

為簡化分析，假設煤礦井下低壓供電系統包含L1、L2、L3三條支路，各支路上的電容、電抗和電流互感器的配置與2.1所述相同，見圖3.

圖3 接地故障時井下供電網中的互感電流圖

各零序電流在接地位置交匯后經過電阻r流入三相電網，所以流經電阻r的電流值為：

由上可知，對于中性點不接地的井下低壓供電系統，當其中一根支路發生漏電故障時，其余支路都會產生相應的零序電流，并且流經三相電抗器前后的零序電流值出現較大差異，各線路中位于電抗器之前的電流互感器中的零序電流為：

各線路中位于電抗器之后的電流互感器中的零序電流為：

2.3 基于零序電流對比的漏電線路判斷依據

實際上，上述補償線圈LK即為消弧線圈，其作用是通過LK產生的感性無功電流與線路中的容性無功電流進行反向疊加，從而有效減小漏電電流值，提高電網安全度。由此，補償線圈的補償方式可分為欠補償、全補償和過補償3種。其中，欠補償是指感性無功電流的數值小于容性無功電流，使補償后總電流依然為容性狀態；過補償則相反；全補償方式容易導致線路中產生諧振，因此較少使用。

本文所研究選擇性漏電保護系統選用欠補償方式，結合之前對故障網絡中零序電流分布特點可知，流經故障支路和正常支路中的電流互感器前后的電流大小存在以下關系：

故障支路L1：IH1a>IH1b

正常支路L2：IH2a

正常支路L3：IH3a

因此，通過比較前后位置電流互感器中電流值的大小，即可作為正常支路和故障支路的判斷依據。

3 選擇性漏電保護硬件設計

選擇性漏電保護作為煤礦井下低壓電網饋電系統的一部分，要求其動作及時、可靠，由于在線數據處理量較大，因此一般選用DSP系統作為漏電故障處理的核心。漏電保護工作中的DSP系統一般包括電信號輸入調理模塊、數據計算模塊和繼電器輸出模塊3部分。其中，第一部分的主要功能是將零序電流互感器和零序電壓互感器輸出的信號進行調制和濾波等，產生DSP計算模塊可識別的電壓信號。而第二部分計算模塊，則是以PLC芯片為核心的數值處理單元，可將相應的輸入信號進行處理和計算，并依據預設條件進行邏輯判斷，然后將判斷和處理結果以聲光或文字形式進行輸出，以備決策和故障處理，同時向故障電路的繼電器發出動作指令，完成故障電路斷電操作，見圖4.

圖4 選擇性漏電保護硬件設計圖

4 選擇性漏電保護軟件設計

對于選用DSP系統的漏電保護軟件，其程序部分主要包括初始化設定、計時和通信中斷設定，以及數據處理和指令發送等。其中，對DSP芯片正確的初始化設定是其發揮正常數據處理功能的前提；計時設定則與零序電流信號的采樣頻率相關，通信中斷程序負責控制系統與狀態顯示器之間的通信；數據處理程序主要是對輸入的電壓模擬量進行模數轉換，然后進行數字運算和判斷，最后判斷是否觸發繼電器動作發送指令，選擇性漏電保護軟件的主要程序流程圖見圖5.

圖5 選擇性漏電保護軟件程序流程圖

5 結 論

對于煤礦低壓供電系統常見的漏電故障，為提高漏電防護的可靠性和及時性等問題，本文首先分析了煤礦三級饋電系統結構，然后對發生漏電故障時線路中零序電流的產生機理、測量方法和漏電支路選判依據等問題進行了研究，為選擇性漏電防護技術的實施提供了理論依據，在此基礎上，提出了選擇性漏電系統的硬件和軟件設計方案。本文研究內容可為煤礦選擇性漏電保護系統的應用提供重要參考。

[1] 周云龍.井下供電系統與漏電保護系統的探究分析[J].煤炭技術,2014,33(2):212-214.

[2] 張 強.礦用低壓選擇性漏電保護裝置的研制[D].遼寧工程技術大學,2012.

[3] 靳造造.煤礦井下低壓電網選擇性漏電保護研究[J].中國煤炭工業,2012(5):58-59

[4] 李美璐.煤礦井下選擇性漏電保護系統研究[J].山西煤炭管理干部學院學報,2016,29(4):53-54.

[5] 樊 燁.基于選擇性漏電保護原理的防越級跳閘研究[J].煤,2016,25(9):75-77.

Application of Selective Electricity Leaking Protection in Coal Mine Low-voltage Power Distribution System

QIAO Lifang

Aiming at the common seen electricity leakage in coal mine low-voltage power supply system, the structure of three-level power supply system is analyzed, and the mechanism of zero-sequence Current, the measurement method and the selection of leakage circuit branch are studied, which provides a theoretical basis for the implementation of selective electricity leakage protection technology. On the above mentioned basis, the hardware and software design scheme of selective electricity leakage protection system is put forward. The research is of important reference value for the application of selective electricity leakage protection system in coal industry.

Coal mine; Low voltage power supply; Selective electricity leakage protection; Zero sequence current

2017-03-03

喬利芳(1990—)，男，山西臨縣人，2014年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事礦井電工工作

(E-mail)592652621@qq.com

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1672-0652(2017)05-0043-04