礦井采煤機漏電保護裝置的設計研究與應用

郝 鵬

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

目前，各個煤礦企業在不斷更新技術，提高煤礦開采設備的科技含量，提升自身的安全生產管理水平。采煤機作為煤礦開采的重要設備，在安全提升方面應更加注重[1]。礦井采煤機的開采功率在不斷增加，對于電氣系統提出了更高的安全使用要求。尤其在危險的礦井環境內，瓦斯等易燃易爆氣體彌漫在空氣內，務必要避免漏電故障的發生，防止造成嚴重的安全事故。采煤機由于受到強大的沖擊和震動容易使得零部件松散，造成漏電情形的發生。因此有必要對采煤機漏電保護裝置的設計進行研究，對隨時可能出現的漏電情況進行遏制。通過對采煤機漏電保護裝置的研究能夠提升采煤機的本質安全管理水平，保證礦井內供電安全，防止一線作業人員觸電。研究成果為煤礦企業提高電氣安全管理水平提供了依據。

1 采煤機供電網路漏電分析

采煤礦井中始終處于高溫、高濕、高塵的工作環境，并且伴隨著各種機械的運行在空氣中會產生高強度的震動。根據《煤礦安全規程》的相關規定，井下的配電變壓器是不能直接中性點接地。但是對于現場實際工程觀察，井下的供電主要是采用電纜供電，并且供電的距離相對較短，分布的電容較廣，此時的零序阻抗值會變得較大。當某個電氣設備發生漏電時，會造成較大的危害。

雖然通常在采煤機供電中采用了中性點不接地的方式，但是在主供電線路中也通過電腦進行電力輸送。在各支路上的漏電電流就不易被發現，無法判別是否存在漏電故障。常規的煤礦供電網絡為三相電系統，通常在檢測到某支路的電流量突然增大時才會進行用電保護，因此目前的電網系統對于零序電壓和零序電流的反應不靈敏，導致對于漏電故障的反應較慢。

2 電氣系統選擇性漏電保護

2.1 漏電保護的要求

漏電保護的主要原則是對一線作業人員進行保護，要保證安全電壓滿足國家標準規定范圍，保護觸電人員的人身安全[2-4]。由于礦井大多數都采用一個變電站為所有的用電設備進行供電，變電站的設計和后期維護都要將可靠性放在首位，同時也要保障漏電保護器的工作可靠性。首先在設計電路時要符合規范要求，并且不能超過電子元件的使用性能；其次當漏電事故發生后，漏電保護裝置的動作應可靠迅速。

2.2 選擇性漏電保護原理

選擇性漏電保護器應使得上、下級電氣設備在漏電保護響應時間上有間隔。通過移動和固定式變電站，實現將組合電氣設備和終端電氣設備進行分別設置，在電器保護的縱向選擇性方面一般不采用零序功率來實現保護，而橫向選擇性完全相反。當供電電網對主要電流進行保護的同時，應該注意對附加直流電源進行保護，通過采取中性點不接地系統檢測附加直流的通電方式，采用三項星型連接將中性點在主回路與大地之間形成三相供電方式，附加直流電源保護原理示意圖如圖1所示。

圖1 附加直流電源保護原理示意圖

2.3 漏電判斷原理

采煤機在進行正常的采煤作業時，絕緣電阻R0處于正常的絕緣狀態，在供電網絡通電的時候電流很小，同時電壓數據也較小[5]。當產生漏電故障的時候，絕緣電阻和回路電流將呈反比例數量關系。漏電檢測裝置將檢測到電壓值在不斷增加，通過與原有電壓信號進行對比，就可判定出漏電故障正在發生，從而可以切斷電網供電，使得電氣設備受到保護。漏電故障保護電路原理示意圖如圖2所示。

圖2 漏電故障保護電路原理示意圖

3 采煤機漏電保護裝置的方案設計

3.1 現有漏電保護裝置的問題

以問題為向導，對采煤機漏電保護裝置的現存問題進行收集，并根據問題對漏電保護裝置進行設計研究，主要問題為信號采集反應不靈敏并且不易識別；漏電特征信號容易受到電容及故障初相角因素的影響；附加直流源的直接檢測裝置在選擇性和速動性方面有所欠缺。

3.2 漏電保護方法

根據采煤及實際工況條件，采取附加直流漏電保護的方法增加電流保護裝置。在附加電源的電流回路當中，漏電電阻的數值一般較小，而產生的直流電源電流很大，可以通過回路中電阻值的變化來判定漏電故障是否仍在于回路中，具體保護原理示意圖如前文中圖2所示。

3.3 漏電保護裝置的結構設計

目前電壓型漏電保護裝置存在結構復雜、穩定性差等缺點，在漏電保護裝置的發展迭代過程中逐步被電流型漏電保護裝置取代。現階段，國內外科研生產機構大多數均以電流型漏電保護裝置為對象進行相關的技術標定和生產研究。漏電保護裝置的結構組成，主要包括檢測元件、放大元件、比較元件以及執行機構等結構[6]。

4 漏電保護實驗結果分析

該檢測裝置基于歐姆龍CP1H系列PLC控制系統，在經過硬件、軟件的設計和調試后，根據采煤機電控系統的控制結構制定了測試方案，見圖3。

圖3 漏電保護裝置功能試驗原理圖

試驗對采煤機截割電機進行漏電保護試驗。當截割電機正常工作時，通過漏電保護硬件電路對其采樣，如圖4所示，為正常時采樣輸出波形。當截割電機不發生漏電故障時，采樣波形幾乎沒有波動。當截割電機發生漏電故障時，如圖5所示為故障時采樣輸出波形。由輸出波形可以看出，當截割電機發生漏電故障時，采樣波形波動較大。通過實驗對比表明，漏電保護裝置能夠滿足采煤機截割電機電氣系統的設備保護要求。

圖4 正常工作時截割電機輸出波形圖

圖5 漏電時截割電機輸出波形圖