煤礦低壓電網選擇性漏電保護裝置設計探析

王 寧

（山西潞安配售電有限公司，山西 長治 046204）

引言

我國對于供電系統主要選用以中性點不接地的系統，其漏電類型如單相接地、兩相接地、三相故障等。不完全統計發現，在供電系統故障中，井下漏電所占的比例達到70%。通常情況下，漏電故障不僅可以對人的身體產生一定的傷害，而且極易產生電火花，進而引發瓦斯與粉塵爆炸事故。當前，我國相關學者在煤礦井下低壓電網漏電保護方面已經取得了一定成績，諸如王彥文等[1]為解決煤礦井下低壓配電網選擇性漏電保護裝置存在的問題，制定出零序電流差動量的選擇漏電保護方式。假如井下低壓電網處于單相漏電故障狀態，那么這時可以選用支路零序電流差值方式，即依據差動量的幅值以及相應的相位，從而可以實施漏電保護以及相應的區段定位。借助仿真實驗可以看出，雖然該方式能夠有效地優化單相漏電保護的靈敏性以及可靠性，但是在實踐的過程中發現其往往受到絕緣電阻以及相應的電容的影響。李宗臻等[2]，對于礦井選擇性漏電保護中存在的橫向選擇以及縱向兩個方面，提出了與之相應的漏電保護方法，與此同時，借助DSP 處理器進行保護設計，這樣可以大大優化漏電保護裝置的選擇性以及可靠性。

1 選擇性漏電故障分析

經過統計發現，在礦井低壓電網漏電故障中，單相漏電中故障率可以占總漏電的85%。假如出現了單相漏電問題時，那么低壓電網中性點將會出現偏移，從而導致各相對地電壓不對稱。下頁圖1 表示3條支路的礦井低壓供電網絡，支路3 發生A 相單相漏電故障系統的原理圖。

通常在支路上面設置兩個零序電流互感器LHij，其中小腳碼i 表示相應的支路數，而j 表示相應的支路零序電流互感器的次序。表示相應的支路上出現零序電流后互感器二次側感應電流。其中，Cij代表相應的各支路上設置的電容，Rij代表相應的各支路設置的接地絕緣電阻。A、B以及C表示低壓配電網干線三相電壓，其中中性點對地的電壓用0表示，而3Cb表示相應的干線電容，Rb/3 表示相應的干線對地絕對電阻，下頁圖1 代表相應的在支路3 上面出現單相漏電故障問題時，其出現故障位置為LH31和LH32之間，Rg表示相應的等效絕緣對地電阻，代表相應的零序回路中的漏電電流，式（1）表示礦井低壓電網單相漏電系統對地阻抗參數：

圖1 礦井低壓電網單相漏電系統原理圖

通常情況下可以依據中性點電壓及相應的漏電故障電壓兩者之間的相位，即可以有效地找到故障終路。

2 選擇性漏電裝置設計

2.1 硬件設計

該裝置硬件部分能夠實現的功能如下：低壓電網絕緣檢測-零序電流方向判斷-控制器發出漏電保護控制指令。

1）低壓電網絕緣檢測。假如發現在某一個支路上絕緣電阻值小于漏電保護動作值，那么這時控制器將會給漏電保護發出漏電保護控制指令，同時系統就會使得繼電器以及脫扣器發生動作。

2）零序電流方向判斷。通常可以以漏電移相后產生的中性點電壓。作為新的判定參考基準，這樣既可以對各個支路零序電流互感以漏電移相后的新中性點電壓。為基準，判斷各支路零序電流互感器二次側電流在相位上是否和。同相。假如在某一個支路上出現了漏電保護故障，這時將會開啟跳閘保護。

3）假如系統發出漏電保護信號Tproms 后，假如當前依舊存在漏電，那么系統就會開始進行漏電縱向保護選擇，通常漏電電設置在總開關位置。

圖2 表示該保護裝置的硬件設計示意圖。通過分析發現，該硬件系統控制單元為STM32F103 ZET6，這樣能夠實現主從控制。該控制單元外接如下幾個元件：顯示及鍵盤、零序電壓采樣電路、信號調理電路、繼電器、絕緣電阻連續檢測模塊。具體介紹如下：

圖2 選擇性低壓漏電保護裝置的硬件設計圖

1）STM32F103ZET6 主從控制器。將該控制器當做干線主控制器，這樣可以實現：漏電保護系統零序電壓、轉換以及邏輯控制、采集零序電流信號量等。與此同時可以構建主從控制器CanOpen 通信連接以及可以實現數據的傳輸等。

2）零序電壓采樣單元。對于零序電壓采集而言，其主要實現對的采集。而電壓跟隨器能夠有效地增強阻抗匹配、電路隔離的能力。對于ADS7835 而言，其具有12 位的采樣精度，能夠在高度低能耗的情況下實現數模轉換，相應的轉換時間在2 ns。

3）零序電流采樣單元。該控制單元主要對每一個支路零序電流進行實時監測監測。其采集的電流信號依次經過如下幾個單元：LEM 的CT 系列電流傳感器、低通濾波器、ADS7835、STM32103 F。

4）顯示及鍵盤單元。該系統顯示器型號選定為OCMJ4X8C，其主要用于顯示如下幾個參數：漏電裝置的運行情況、設置的參數、故障信息。而相應的鍵盤選擇為：2×2 防爆矩陣鍵盤。

5）執行單元。該單元主要包括檢漏繼電器、脫扣器。其中，檢漏繼電器型號選擇為NGL1-400，其可以實現選擇性漏電跳閘以及相應的漏電閉鎖功能。當三相漏電處于不平衡的狀態時，并且各相動作靈敏度卻保持一致的狀態下，可以各自選擇對應的漏電匹配指令。脫扣器對應型號為RDMS L-125 M，假如所輸出的信號達到了設定值，那么這時可能觸發該脫扣器動作，從而使得牽引桿動作，最終使得機構在非常短的時間內斷開，從而實現電源的切換工作，進而達到了漏電保護的作用。

2.2 軟件設計

對于漏電保護裝置的軟件而言，其采用模塊化的設計方法，并且將其在主站和從站里面進行軟件編程。通常將軟件模塊劃分為如下幾個方面：主控制單元；系統自檢與初始化單元；零序電壓檢測單元；絕緣電阻檢測單元；零序電流檢測單元；故障處理單元；鍵盤以及顯示單元；合閘/分閘單元等。下頁圖3表示主程序流程圖，其可以實現對主程序進行監測以及初始化、完成各個參數的檢測、分析以及判斷。最終通過調用各個子程序實現對礦井低壓電網選擇性漏電保護作用。下頁圖4 表示相應的支路對地的絕緣電阻的檢測流程圖。

圖3 主程序流程

圖4 絕緣電阻檢測流程

3 實驗分析

經過實驗發現該裝置能夠采集到的各個支路的初始零序電流，接著借助最小二乘矩陣束算法分析零序電流數據，從而能夠得到各個支路的直流量，最終可以得到各個支路對應的絕緣電阻量，如表1 所示。通過分析表1 可以看出，支路1 處于單相的絕緣電阻計算值為0.455 kΩ，該數值遠遠低于3.5 kΩ，由此可以勘定支路1 處于單相漏電故障狀態。

表1 礦井低壓選擇性漏電保護實驗數據

4 結論

1）通過對礦井低壓電網漏電故障情況進行分析可以看出，單相漏電故障支路對應的相電壓與新產生的中性點電壓。由此可以判斷該支路處于漏電故障狀態。

2）該裝置的控制系統STM32F103 控制器，該裝置主要可以實現對低壓漏電保護裝置的控制以及進行軟硬件的設計。

3）通過對該裝置進行試驗分析可以看出，礦井低壓漏電保護裝置能夠滿足實驗的需要，其在識別漏電故障方面能夠快速反應，并且能夠高效地完成漏電保護控制，從而可以有效地避免重大安全發生事故。