煤礦井下漏電保護(hù)技術(shù)分析

王志軍

(西山煤電股份有限公司 西曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

隨著煤礦自動(dòng)化的發(fā)展，我國(guó)煤礦的采煤效率不斷提升，電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)也不斷地增加，在用電設(shè)備的工作過(guò)程中，漏電故障大約占到故障總量的70%，當(dāng)漏電故障發(fā)生時(shí)，巨大的電流流過(guò)人體，對(duì)操作人員的人身安全造成巨大威脅。漏電保護(hù)是保障煤礦井下安全生產(chǎn)的三大保護(hù)(過(guò)流保護(hù)、漏電保護(hù)、接地保護(hù))之一[1]。國(guó)家相關(guān)規(guī)定中，要求煤礦井下電網(wǎng)必須裝漏電保護(hù)或者選擇性漏電保護(hù)裝置[2]。因此，設(shè)計(jì)完善的漏電保護(hù)裝置，可以在煤礦井下發(fā)生漏電故障時(shí)，快速切斷故障支路，避免故障范圍擴(kuò)大，提高井下供電可靠性[3]。

1 煤礦井下電網(wǎng)漏電故障分析

1.1 煤礦井下基本供電系統(tǒng)

我國(guó)煤礦井下電網(wǎng)大多由多臺(tái)動(dòng)力變壓器構(gòu)成，變壓器的高壓側(cè)是并聯(lián)在一起的，電壓等級(jí)一般為6 kV或者10 kV，低壓側(cè)的電壓等級(jí)一般為660 V，連接各自的用電設(shè)備，每臺(tái)變壓器低壓側(cè)的電氣設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，沒(méi)有連接關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的漏電保護(hù)裝置基于供電單元的相對(duì)獨(dú)立。

變壓器的運(yùn)行方式主要分為中性點(diǎn)接地和中性點(diǎn)不接地兩種。在我國(guó)煤礦井下電網(wǎng)中，變壓器大多采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，漏電電流小，相對(duì)安全，但要求相應(yīng)的保護(hù)裝置具有一定的靈敏性。

1.2 漏電保護(hù)設(shè)計(jì)要求

1) 安全性。包括人身安全和設(shè)備安全兩個(gè)方面，人身安全得不到保障可能會(huì)對(duì)人身體造成直接傷害；設(shè)備安全得不到保證則可能會(huì)引發(fā)其他設(shè)備的故障而導(dǎo)致煤礦事故。漏電故障發(fā)生在設(shè)備上時(shí)，如果故障不能及時(shí)排除，將導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，降低設(shè)備使用壽命。如果單相漏電故障沒(méi)能快速排除，很有可能發(fā)展為相間短路故障，造成更加嚴(yán)重的故障。針對(duì)相間短路故障，大多采取超前切斷故障的方法。

2) 可靠性。在漏電保護(hù)范圍內(nèi)，發(fā)生應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)，漏電保護(hù)裝置不會(huì)拒絕動(dòng)作；發(fā)生不應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)，它不會(huì)錯(cuò)誤動(dòng)作，這就是漏電保護(hù)可靠性的要求。為了增加保護(hù)的可靠性，應(yīng)該采取后備保護(hù)措施，提高漏電保護(hù)裝置的質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)的管理[5]。

3) 選擇性。在電網(wǎng)線路中，當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，漏電保護(hù)裝置應(yīng)該保證切除故障部分的線路電源，而讓非故障部分線路正常工作。這樣既能快速確定故障的位置，方便漏電故障的處理，又能縮小停電的范圍，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)進(jìn)度受最小的影響。

1.3 電網(wǎng)漏電時(shí)零序電壓、電流分布

圖1 單支路電網(wǎng)零序電壓和零序電流分布圖

2 選擇性漏電保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)

2.1 漏電保護(hù)選擇性

漏電保護(hù)選擇性包括橫向選擇性和縱向選擇性兩個(gè)方面：橫向選擇性是指當(dāng)電路中發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置只是切斷故障支路，而其他支路維持在正常工作的狀態(tài)；縱向選擇性是指當(dāng)電路中發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置只是切斷故障所在段的線路，而保證其他線路正常工作。

圖 2中，K2點(diǎn)發(fā)生漏電故障時(shí)，只有C1處的漏電保護(hù)裝置動(dòng)作，C2處的漏電保護(hù)裝置不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)橫向選擇性；C1啟動(dòng)后切除漏電故障，B1分支開(kāi)關(guān)中的漏電保護(hù)裝置不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)縱向選擇性。

圖2 選擇性保護(hù)示意圖

2.2 附加直流源漏電保護(hù)原理

電網(wǎng)漏電故障可分為對(duì)稱性漏電故障和非對(duì)稱性漏電故障，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對(duì)稱性漏電故障時(shí)，一般采用外加直流電源的方法進(jìn)行漏電保護(hù)。保護(hù)原理如圖3所示，在電網(wǎng)系統(tǒng)和大地之間附加直流電源，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生故障時(shí)，外加的直流電源可以檢測(cè)到A、B、C三相對(duì)地阻值的變化，根據(jù)這種阻值變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的漏電保護(hù)。圖3 中，R1為監(jiān)測(cè)電阻，電阻的阻值為定值，外部直流源的正極與大地相連，A、B、C三相對(duì)地電阻視為相同，電阻R1上的電壓可以通過(guò)計(jì)算A、B、C三相對(duì)地電阻與監(jiān)測(cè)電阻的阻值，然后分壓得到。通過(guò)對(duì)直流電壓的分析，就可以判斷電網(wǎng)中是否存在對(duì)稱性漏電故障。

圖3 附加直流源保護(hù)原理圖

2.3 漏電保護(hù)設(shè)備抗干擾設(shè)計(jì)

漏電保護(hù)的干擾主要包括電磁干擾和輻射干擾兩種，其中電磁干擾危害最大，可能直接摧毀漏電保護(hù)設(shè)備。因此，針對(duì)電路中的傳導(dǎo)干擾，提出了光電耦合隔離的方法，隔離干擾源，以A/D采樣為例，電路隔離措施如圖4所示。在采樣信號(hào)的前端增加濾波電路，濾除電路中的各種高次諧波。采集的模擬量通過(guò)線性光偶隔離連接在STM32的模擬量采集端口，經(jīng)過(guò)控制器的處理后，經(jīng)過(guò)數(shù)字光偶隔離，將信號(hào)輸出，作為下一級(jí)的I/O量輸入[6]。

圖4 電路隔離措施圖

3 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)鐘電路

STM32芯片內(nèi)部的高速晶振頻率為8 MHz，容易受到外界溫度、電磁感染的影響，導(dǎo)致時(shí)鐘不穩(wěn)定。對(duì)此，系統(tǒng)使用控制器的外部晶振產(chǎn)生時(shí)鐘系統(tǒng)，晶振頻率為8 MHz，外部晶體正常工作時(shí)，需要匹配相應(yīng)的電容，提高晶體振蕩的穩(wěn)定性。電路原理如圖5所示。芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳分別接晶體振蕩器的兩個(gè)引腳，并在電路中并聯(lián)10PF的電容。

圖5 8 M晶振電路圖

3.2 FLASH存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

圖6 M25P80芯片示意圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合煤礦井下電網(wǎng)的特點(diǎn)，在分析井下設(shè)備發(fā)生漏電故障時(shí)，按電網(wǎng)中零序電壓、電流的變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)漏電保護(hù)裝置；針對(duì)電氣間常見(jiàn)的電磁干擾，引入光電耦合和線性耦合，提出相關(guān)的抗干擾措施，增加系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。介紹了漏電保護(hù)裝置數(shù)字控制器的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，以M25P80芯片為核心，設(shè)計(jì)FLASH存儲(chǔ)電路，可將采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，方便信息的調(diào)用。