礦井低壓電網選擇性漏電保護裝置設計*

曹建文

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

國內煤礦井下供電系統以中性點不直接接地系統為主，發生漏電故障主要以單相接地、兩相或三相故障為主，使得供電系統對地絕緣電阻達臨界危險值，主要表現為零序回路中阻抗大、電流小。據統計，煤礦井下供電系統漏電故障約占供電系統故障的70%。漏電故障除對工人身體傷害外，漏電過程產生的電火花極易引起瓦斯爆炸、粉塵爆炸等重大安全事故。如2014年4月云南紅土田煤礦和12月新疆白楊溝煤礦由于漏電引起的重大瓦斯爆炸事故，再次引起煤礦企業、科研院所對煤礦井下漏電保護研究的重視[1-2]。近幾年，煤礦井下低壓電網漏電保護研究取得進一步的進展，如王彥文等[3]為解決煤礦井下低壓配電網選擇性漏電保護裝置存在的可靠性差、靈敏度低的問題，設計了基于零序電流差動量的選擇性漏電保護方案，當礦井低壓電網發生單相漏電故障時，采集各支路的零序電流差值，根據差動量的幅值和相位實現漏電保護的橫向選擇和區段定位。經仿真試驗證明，該方案可有效提高發生單相漏電檢測的可靠性和靈敏度，但適用性較差，且受系統對地絕緣電阻和分布電容的影響較大。李宗臻等[4]針對礦井選擇性漏電保護中的橫向選擇、縱向選擇兩方面分別提出附加直流電源保護和線路參數識別保護兩種方案，并基于DSP處理器進行保護方案的設計與實現，增強了礦井漏電保護裝置的選擇性、可靠性和靈敏度。李衛東[5]詳細闡述了礦井選擇性漏電保護工作模式以及原理，并與礦井非選擇性漏電保護系統進行比較。以東峰煤礦低壓電網漏電保護系統為例，佐證礦井選擇性漏電保護系統橫向或縱向選擇性好、停電范圍小、查找漏電故障效率高的特點。孫士宏[6]對礦井低壓電網單相漏電故障及參數進行詳細分析，并指出附加直流電源檢測法、零序功率方向法的漏電保護原理以及兩種方法綜合使用的重要性和有效性。邰文濤[7]以STM32F103ZE控制器為核心，采用集中控制模式對系統漏電和漏電線路進行判斷，保護電網安全供電，漏電試驗結果表明所設計的漏電判斷系統的正確性。結合礦井低壓電網單相漏電故障特點，設計基于STM32F103控制的漏電保護裝置，保證礦井低壓供電系統安全、穩定運行。

1 選擇性漏電故障分析

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圖1 礦井低壓電網單相漏電系統原理

2 選擇性漏電裝置設計

2.1 硬件設計

礦井低壓電網選型性漏電保護裝置硬件部分主要完成的功能包括以下幾項。

1)低壓電網絕緣檢測。當某一支路的絕緣電阻值低于漏電保護動作值后，控制器向該支路漏電保護單元發出漏電保護控制指令，驅動繼電器、脫扣器動作。

3)控制器發出漏電保護控制指令Tproms后，如果漏電現象依然存在，則進行漏電縱向選擇，漏電點可能位于總分開關之間。

根據礦井低壓電網選擇性漏電保護裝置完成硬件部分設計，如圖2所示。硬件系統以STM32F103ZET6控制器為核心，實現主從控制。STM32F103ZET6主控制器外接部分主要有顯示及鍵盤、零序電壓采樣電路、信號調理電路、繼電器/脫扣器執行單元以及絕緣電阻連續檢測單元。主從站之間以CanOpen完成數據通信，STM32F103ZET6從站控制器外接部分為零序電流采樣電流和信號調理電路。

圖2 選擇性低壓漏電保護裝置硬件設計

1)STM32F103ZET6主從控制器。以STM32F103ZET6作為干線主控制器以及支路從控制器，完成對漏電保護系統零序電壓、零序電流以及絕緣電阻模擬量信號的采集、轉換以及邏輯控制；完成主從控制器CanOpen通信連接的建立、數據傳輸以及校驗；完成控制干線以及各支路的繼電器、脫扣器的執行等功能。

3)零序電流采樣單元。零序電流采樣單元主要完成對支路零序電流的實時測量。支路零序電流經LEM的CT系列電流傳感器、低通濾波器以及ADS7835芯片處理完成電流模型的采集并傳送至STM32103F從站。采用的LEM CT系列電流傳感器利用磁調制原理對電流進行測量，測量精度可達2%。

4)顯示及鍵盤單元。顯示器采用的型號為OCMJ4X8C，用于實時顯示漏電裝置的運行狀態、設置參數以及故障信息；鍵盤單元采用2×2防爆矩陣鍵盤。

5)執行單元。執行單元包括檢漏繼電器、脫扣器等電氣元件。檢漏繼電器選用的型號為NGL1-400，具備選擇性漏電跳閘及漏電閉鎖功能，系統電壓為AC 380 V、AC 660 V以及AC 1 140 V時，動作時間≤30 ms。在三相漏電不平衡時，各相動作靈敏度一致，可自動區分漏電。該檢漏繼電器抗干擾能力強，在電網諧波、線路瞬時過電流時不誤動作，且有節能無聲運行的特點。脫扣器選用的型號為RDM5L-125M，該脫扣器中的零序電流互感器的信號輸出與漏電關聯，當信號輸出達到一定值時，可觸發該脫扣器中的可控硅，導通使得漏電脫扣器動作，驅動牽引桿使得操作機構在很短時間(最長斷開時間為0.3 s)內斷開，切換電源，實現漏電保護功能。

2.2 軟件設計

礦井低壓電網選擇性漏電保護裝置軟件部分采用模塊化設計分別在STM32F103ZET6主站和從站中編程實現。根據選擇性漏電保護裝置實現的功能，劃分的功能模塊主要有主控制模塊、系統自檢與初始化模塊、零序電壓檢測模塊、零序電流檢測模塊、絕緣電阻檢測模塊、故障處理模塊、合閘/分閘模塊、合閘/分閘狀態模塊、鍵盤以及顯示模塊等[11]。根據模塊功能獨立完成各自模塊內部程序，定義各模塊接口函數，供與其他模塊進行交互。主程序流程如圖3所示，主要完成系統自檢與初始化，完成對各參數的檢測、分析、判斷，完成對各模塊的調用，進而完成對礦井低壓電網選擇性漏電保護功能。圖4為漏電保護裝置對各支路對地絕緣電阻的檢測流程，主控制器需周期性地采集各支路對地絕緣電阻值以及兩端的電壓值并與標準設定范圍進行比較，判斷是否存在漏電故障。

3 實驗分析

礦井低壓電網選擇性漏電保護裝置實驗平臺核心參數具體為：供電電壓為AC 380 V；采樣頻率為2 000 Hz；漏電阻采用變阻箱，可調節范圍為0～10 000 Ω；零序電流互感器變比為0.6 A/2.5±1.49 V；零序電抗器為0～5 H；示波器為泰克的MD03024。

圖3 主程序流程

圖4 絕緣電阻檢測流程

通過該實驗平臺獲取各支路初始零序電流，利用最小二乘矩陣束算法對獲取的零序電流數據進行分析，得到各支路的直流量，最后計算出各支路的絕緣電阻值，如表1所示。在表1中，支路1發生單相漏電故障，絕緣電阻計算值為0.455 kΩ，遠遠小于單相接地故障動作電阻值3.5 kΩ，即可判斷支路1發生單相漏電故障。

表1 礦井低壓選擇性漏電保護實驗數據

4 結論

1)經礦井低壓電網漏電保護原理分析，發生單相漏電故障支路的相電壓滯后新的中性點電壓的角度為180°-θ。根據該原理可識別發生漏電故障的支路。

2)以STM32F103控制器為核心，設計基于主、從控制模式的礦井低壓漏電保護裝置，并完成硬件、軟件設計。

3)對設計的礦井低壓漏電保護裝置進行實驗分析，驗證該裝置的實用性。實驗結果表明該裝置可高效、快速識別漏電故障支路并完成漏電保護動作，有效避免發生重大供電系統事故。