基于無線網絡技術的井下漏電保護系統研究

王朝

（太重煤機有限公司 技術中心，太原 030032）

0 引言

漏電事故是煤礦井下電力系統的主要故障之一，其發生率高、危害大、波及面廣，可能引起人身觸電、相間短路、火災、粉塵爆炸等事故，因此是煤礦設備故障監測的重點。我國煤礦低壓電網電壓一般為660 V或1140 V，為減小漏電電流，按要求采用中性點不接地或經消弧線圈接地的接線方式。低壓電網提供了井下絕大部分設備的運轉動力，因此相應電纜網絡分布廣泛，與周邊物理環境密切接觸，在生產過程中容易出現絕緣層損傷、老化加速等情況[1-3]。由于井下電纜漏電故障的發生點較多，定位困難，因此對生產的連續性造成較大影響。為解決這一問題，現代井下供電網絡多采用選擇性漏電保護技術，可較好地對漏電事故的發生時間和地點進行監測，并及時切斷故障支路供電，降低事故影響。

1 技術對比

傳統的漏電保護系統的信息傳輸采用有線傳輸方式，因此線路布置復雜，受損概率較大，且無法靈活組網，因此其網絡的覆蓋范圍、復雜程度受到較大限制。針對以上缺陷，在近年來快速發展的近距離無線傳輸技術（如ZigBee）基礎上，本文將重點對其在煤礦井下漏電保護系統中的應用進行研究。該技術可將各支路的連通狀況經由無線網絡進行快速傳輸，因此其組網方式更加靈活，可覆蓋的井下范圍更大，且傳輸設備受到物理損傷的概率降低，可實現漏電故障的快速和準確定位。同時，以ZigBee為代表的無線傳輸技術，抗干擾能力強，成本低，系統功耗小，因此較為適合井下的惡劣工況，完全可以滿足對線路零序電壓/電流信號的采集和傳輸[4-5]。

2 漏電故障檢測方法

2.1 井下低壓電網結構

煤礦井下低壓供電系統結構如圖1所示，井上高壓電源經電纜輸送至井下高壓配電裝置，然由變壓器等設備轉化為660 V或1140 V可用電壓。其中T為井下變電站或移動變壓器，Z為線路總饋電開關，F為分支線路饋電開關，Q為用電設備端的磁力啟動器，M為用電負載。該系統為三級防護網絡，可實現對漏電等電氣故障的準確定位和排除。

圖1 井下低壓電網組成結構

2.2 總線漏電防護技術

總饋電開關位于總線的變壓器后方，可作為選擇性漏電防護系統的備用方案，在支路漏電保護失效的情況下，保護主干線路的安全，因此也稱為主防護。總饋電開關的漏電防護采用附加直流電源檢測法，其原理如圖2所示，當漏電事故發生時，各相的電纜線的對地電阻值會顯著下降，因此可通過在總饋電開關位置增加一處直流電源來監測電壓U2的變化，以此來判斷是否發生漏電。

圖2 總饋電開關的漏電保護原理

如圖2所示，直流電源提供的電流I從正極流出，并經電阻R2流向大地，然后通過各相絕緣電阻r1、r2、r3最終流回電網，再經過電阻抗LC、電阻R1等流至直流電源負極，形成完整回路，其中電流I的計算公式如下：

其中

則特征電壓U2計算公式如下：

當檢測到U2降低至設定值以下時，認為應啟動總線漏電保護機制，此時將切斷線路總電源，保護電網安全。

2.3 分支線路漏電防護技術

正常線路中，三相電壓的矢量值是相等且對稱的，相互之間相位差為120°，可表示為而當線路發生單相漏電時，該相的對地電阻顯著下降，電網中性點與大地的電位不再相等，因此在線路中產生了零序電壓U˙0和零序電流I˙0，其中的零序電流主要為電容電流。

圖3 井下供電網絡支路漏電模型

圖4 基于無線網絡的漏電保護系統的硬件組成

對于分支線路的選擇性漏電保護，可采用基于零序電壓和電流檢測的零序電流方向法。如圖3所示，在某包含多條分支線路的井下供電網絡中，ZCT1、ZCT2、ZCT3為對應支路起始端布置的零序電流互感器。當某一支路發生單相漏電時，非故障支路中的零序電流從母線方向流入，然后經對地電容和電阻后流入大地，并最終在漏電故障點匯集后進入故障支路；而對于故障支路，其零序電流從對地電容和電阻流入大地后，又從故障點流回該支路，并最終流向母線，所以故障支路的零序電流大小是所有支路零序電流之和，且故障支路與非故障支路的零序電流相位方向相反。另外，相比于母線中的零序電壓，故障支路的零序電壓相位滯后90°，而非故障支路則超前90°。以上結論可作為故障線路的選判依據。

3 基于無線網絡漏電保護的硬件設計

基于無線網絡的漏電保護系統的硬件組成如圖4所示，主要由信號采集和無線信號傳輸模塊、協調器模塊、上機位等組成。其中信號采集模塊主要利用零序電壓和零序電流傳感器對零序電壓和電流信號進行采集，然后經過濾波、數模轉換等處理，將信號送入CC2530芯片。一般情況下，母線上的零序電壓傳感器按照設定間隔時間進行信號采集和發送，當母線零序電壓信號未超過預設值時，CC2530芯片處于休眠狀態，且其余支路的零序電流采集模塊不啟動；而當該信號超過預設值時，則CC2530芯片被激活，且支路的零序電流采集模塊同時開始信號采集工作，由CC2530芯片對各信號進行分析，利用零序電流方向法找出漏電支路。然后，一方面，處理器控制相應支路的繼電器發生動作，并控制饋電開關斷開；另一方面，由無線信號傳輸Zigbee模塊將故障信息傳輸至協調器節點，再經過RS485總線上傳至上機位，地面工作人員在接收到故障警報后，根據所顯示的故障支路信息，對相應漏電故障進行處理。

4 基于無線網絡漏電保護的軟件設計

圖5 信號收集與傳送程序流程圖

對應于系統各硬件組成，基于無線網絡漏電保護的軟件部分主要包括信號收集與傳送程序、協調器控制程序等。其中，前者的部分程序流程如圖5所示，程序初始化完成后，向處理器發送請求加入Zigbee網絡的信號，請求成功后，控制器開始計時，并控制母線上的零序電壓傳感器按照設定時間間隔測量零序電壓，然后將數據發送至處理器，判斷是否滿足報警觸發條件，該過程循環進行。支路零序電流信號的提取和發送與此類似，不再贅述。協調器控制程序的主要功能是對請求加入網絡的信號進行應答，并為允許加入的節點分配網絡地址，隨后就可以接收各節點發送的數據，并轉發至上機位。

5 結 論

針對煤礦井下電網中漏電事故發生頻繁、排除困難等特點，本文首先對比分析了傳統選擇性漏電保護系統和基于無線網絡的漏電保護系統的優缺點，然后闡述了煤礦配電系統三級防護網絡的構成，在此基礎上，分別對總線和分支線路上的漏電防護技術的原理和實施方法進行了研究，隨后分別從硬件和軟件兩方面提出了基于無線網絡技術的選擇性漏電保護系統的構建方法。