礦山高壓電網橫向故障預警及選擇性漏電保護系統的研究與應用

劉奎玉，唐沂偉，高俊超，馬德建

(嵩縣山金礦業有限公司，河南 洛陽 471400)

1 概述

礦井電力系統故障一般可分為橫向故障和縱向故障兩大類。橫向故障是指各種類型的短路，包括三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路。在三相短路中，由于短路的三相阻抗相等，三相電流和電壓仍然是對稱的，也稱為對稱短路。

運行經驗表明，單相短路占電力系統短路故障的絕大部分，約占短路故障總數的65%，三相短路僅占5%～10%。雖然三相短路故障發生概率最小，但故障產生的后果最嚴重，必須引起足夠的重視。垂直斷層主要是指各種類型的斷層，包括單相斷層、兩相斷層和三相斷層。

2 礦山橫向電氣故障的發展過程

圖1 電氣故障發展過程圖

2.1 礦山高壓電網橫向故障原因

2.1.1 供用電設備自身質量問題

礦井和井下有大量的供電和利用設備。設備因其制造質量、生產工藝、出廠時采用的技術規格等原因，不能達到規定的要求。因此，在使用過程中很容易發生漏電。同時,在地下運行的過程中,當電源在使用設備和電纜損壞,裂縫絕緣層和電纜盤在使用圓圈是“8”,它將導致電纜熱功率的增加,絕緣老化,等等,導致電纜的絕緣性能的大幅削減和電源設備。嚴重時出現漏電、短路故障影響供電安全。

2.1.2 礦山安全用電管理力度不強

在礦山用電管理工作中，由于長期維護不到位，一些電線和電纜可能被壓埋或浸泡在陰溝中，導致電纜絕緣受潮老化，導致泄漏故障。在井下生產過程中，部分線纜及用電設備超負荷運行或被砸傷、刮傷等現象未被及時發現，也可能導致絕緣降低發生漏電故障，由此可以得出，絕緣老化是造成漏電的主要原因。

2.2 礦山高壓電網橫向故障危害

2.2.1 人身觸電傷亡事故

當礦井供電設備發生泄漏故障時，操作者直接與供電設備外殼接觸，造成觸電事故。當電纜導線刺穿電纜外護套，直接暴露在空氣中時，工作人員與操作者相互接觸也會發生觸電事故。

2.2.2 燒損燒毀供配電電氣設備

當配電電氣設備或電線電纜發生泄漏故障時，在斷開電線或電纜絕緣時，泄漏電流會產生大量熱量，燒壞電纜或設備，造成停電故障，影響安全生產及人身安全。另外，很多礦山采用中性點不接地系統，如井下發生弧光性接地漏電故障未能及時切除故障線路，會引起孤光過電壓，造成供電系統發生鐵磁諧振，嚴重時可燒壞配電設施，對礦山的安全生產造成極大危害。

2.2.3 短路故障的危害

兩相短路故障乃至三相短路故障是礦山供電系統中最為嚴重的電氣故障，輕則造成大面積停電事故，重則可能造成瓦斯、煤塵爆炸，火災，給企業帶來巨大的經濟損失和人身傷亡事故。

如果能夠將一些事故消滅在萌芽狀態，做到防微杜漸，那會給煤炭企業帶來巨大的經濟利益和很好的社會效益。

3 絕緣監測系統

3.1 絕緣監測模塊

該模塊負責系統絕緣降低的監測與監控，當系統絕緣降低到定值時將監測到的數據上傳至后臺并報警。

3.2 絕緣監測及單相接地測控模塊

3.2.1 無單相接地故障時絕緣監測及單相接地測控

在礦山電力系統中，監測單相接地時，為了動作的準確性，一般將開口三角電壓的定值定在10V以上，接地電流定在1A以上，這樣很多的高阻性接地故障被濾除掉，致使很多絕緣降低的故障發展成單相接地事故。

絕緣監測及單相接地測控模塊可以一直監視零序電壓，并將正常時的開口電壓記憶，如果開口電壓發生波動且一直向上波動，就將其記憶，此時如有一饋出線的零序電流數值大于定值，且零序電壓和零序電流的相位關系符合時序鑒別原理、線路的對地導納也發生很大變化，即證明本線路的絕緣已降低到一定程度，繼續發展就會造成單相接地故障。該裝置將信息上傳至管理模塊，由管理模塊將信息綜合處理后上傳至后臺系統，并報警哪條饋出線單相接地的風險增加。

3.2.2 發生單相接地故障時絕緣監測及單相接地測控

當系統中某處發生單相接地時，絕緣監測及單相接地測控模塊除具備將故障線路選出外，還可以檢測非故障線路的零序電流和零序電壓的相位關系，同時還檢測該線路的對地電導，如該健全線路對地導納、電流數值、相位發生顯著變化，證明該線路對地絕緣降低。該裝置將信息上傳至管理模塊，由管理模塊將信息綜合處理后上傳至后臺系統，并提示工作人員哪條線路的絕緣降低。

4 單相接地系統（漏電監控系統）

該系統利用PT取零序電壓信號，利用零序電流互感器取零序電流信號。為保證判斷的準確性，電流、電壓互感器的精度不低于0.5級。

將零序電壓和零序電流信號送入絕緣監測及單相接地測控模塊，該模塊綜合采用山東科技大學傅桂興教授發明的“零序基波時序鑒別”原理、零序導納原理及相位關系等判斷故障，準確度極高。裝置判斷完成后將故障信號上傳至管理機，有管理機將所有信息綜合處理后通過以太網傳至后臺系統，并進行相關處理，發出報警或跳閘信號。同時由后臺系統準確指定故障位置。

圖2 三相電網零序電流分布規律

圖3 零序等值電路圖

圖4 不同接地方式和不同補償狀態下單相接地故障電流矢量圖

圖5 “零序基波時序鑒別法”判定法則

如圖5的U0J與某路I0的方波同時符合以下兩條件：

（1）零序電流I0上升沿滯后于零序電壓U0J上升沿而超前零序電壓U0J下降沿，即零序電流I0上升沿界于零序電壓U0J的上升沿與下降沿之間；

（2）零序電流I0下降沿滯后于零序電壓U0J下降沿須大于0度而小于180度；

則該I0對應的線路為單相接地故障線路（如圖5中之a、b）,否則為非故障線路（如圖5中之c、d、e）。

5 兩相接地短路故障評估系統

當系統發生單相接地故障后，系統發生兩相接地故障的風險大大增加，據統計礦山電力系統發生短路故障有80%是有單相接地故障衍變而成的，如何預測發生單相接地后發展成短路故障的風險程度是降低兩相短路故障的重要因素。

現今采取的辦法主要是中性點經消弧線圈接地降低接地電流的辦法，雖然解決了一些問題，但還不能起到預測的功能。

如果采用零序導納和相位判別法可提前準確預估兩相短路的危險程度。

當發生接地故障后，非故障線路中的絕緣監測及單相接地測控模塊會實時監控本線路的零序電流和零序電壓，并計算該線路的對地導納及電壓和電流的相位，如果導納和相位沒有變化，則證明發生兩條線路對地短路的風險小；如果導納和相位有變化，且向特定的方向變化，則證明發生兩條線路對地短路的風險增大；絕緣監測及單相接地測控模塊就將該線路的信息傳至管理模塊，管理模塊處理后傳至后臺系統，后臺系統經計算、比較處理后立刻切斷接地故障線路。這樣會降低甚至避免兩相故障的發生。

6 結語

礦山高壓電網橫向故障預警及選擇性漏電保護系統技術研究，對于高壓供電電網可實現以下功能：不受消弧線圈補償的影響；具有選擇性漏電保護功能；系統絕緣降低預警；饋出線電纜絕緣降低預警；單相接地故障告警或跳閘；單相接地向兩相短路發展的風險預警。以上功能與技術指標，屬國內首創，對國內非煤礦山高壓電網安全具有重大意義做出貢獻！