煤矿井下低压供电系统漏电保护及分析

2013-07-05年魁

机电产品开发与创新 2013年1期

年魁

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 030006）

0 引言

漏电保护是为了保证煤矿井下供电安全的三大保护之一，所谓三大保护即保护接地、过流保护和漏电保护。煤矿安全规程中明确规定：在井下低压馈电线上，应该装备带有漏电闭锁功能的保护装置或则是应该装备带有选择性的保护装置[1]。煤矿井下环境恶劣、空气潮湿，相对湿度高达90%以上，这些都对在如此恶劣条件下运行的电气设备的绝缘问题提出了非常特殊的要求。而输电电缆又是其中最为薄弱的环节，还经常会出现漏电等故障，漏电不仅可以导致电气设备的损坏，而且还可能带来人身触电和煤尘、瓦斯爆炸等危险。因此，井下电网必须配备漏电保护装置。

1 低压电网漏电故障特征

一般来说，对井下低压电网的漏电保护装置要求如下[2]：①当井下低压电网对地绝缘电阻低到一定程度时，必须及时动作，切断电源或者应将电源开关闭锁起来，防止其合闸送电，使事故扩大；②动作必须灵敏且可靠，既不允许拒动，也不允许误动；③具有漏电跳闸和漏电闭锁双重功能，能连续监视被保护电网的绝缘状态；④反映要快，应能够满足30mA·s的要求。

由于变压器中性点直接接地方式在煤矿井下使用过程存在较多问题，因此，煤矿安全规程中明确规定：井下配电变压器禁止中性点直接接地，并禁止由地面上中性点接地的变压器或发电机直接向井下供电。下面介绍采用变压器中性点绝缘方式供电的低压电网在发生漏电时的故障特征[3]。

图1 供电系统图

1.1 忽略电网对地电容

在电缆总长度比较短的条件下，电网的对地电容值不大，电容电流很小，可以忽略。此时计算人身触电电流和单相接地电流时，可以只考虑电网对地绝缘电阻的影响，供电系统如图1所示。

（2）如果人身触及某相（如A相），通过人身的电流将经过其它两相的绝缘电阻rB和rC构成通路，此时，A相的绝缘电阻rA与人身电阻RR并联，该相对地电阻变成：

此时，电网对地电压和电流将发生变化，各相对地电压不再平衡，随之各相绝缘电阻中流过的电流也不再相同，变成：

根据电流定律：

即：

当rA=rB=rC=r时，上式变为：

而

3)预制光缆两端由密封帽或密封套管保护，敷设时不能打开，敷设到柜内，安装时再打开密封帽或密封套管并找到对应的安装位置固定。

所以：

代入得人身触电电流为：

（3）如果发生了单相接地故障（如A相），通过接地点的电流就是单相接地电流。与人身触电电流一样，只是A相的绝缘电阻rA被故障点短接起来，因此只需令RR=0即可。结果为：

（4）绝缘电阻不对称时：

人身触及某相（如A相）后，人身触电电流为：

其有效值为：

1.2 考虑电网对地电容

当电缆线路较长时，对地电容较大，电容电流便不能忽略。因此在计算人身触电电流和单相接地电流时，除绝缘电阻外，还必须考虑电容的影响。此时，人身触电电流的绝对值为：

式中：Z0—电网每相的零序阻抗；C—电网每相对地电容。由图可以看出，在电网对地电容数值较大的情况下，人身触电电流的主要成分是电容电流，此时提高绝缘电阻值，不但不能使人身触电电流值减小，还有增大的危险。

2 附加直流电源检测原理

漏电保护是馈电开关必备的保护，作用有两点：一是在电网投入运行前，对电网的绝缘水平进行检测，当电网对地绝缘电阻下降到规定值时闭锁合闸回路，阻止电网投入运行；二是在运行过程中检测电网对地绝缘电阻，一旦电阻值降到规定值，则立即断开电源，停止供电。

漏电保护的方法很多，从保护的原理上看不外乎有以下几种：附加直流电源检测原理、零序电压保护原理、零序电流保护原理及零序电流方向保护原理。本文重点介绍采用附加直流电源检测原理，详细介绍如下：

图2 附加直流电源检测原理图

附加直流电源检测原理是利用附加在电网与地之间的直流电源来检测电网是否发生漏电故障。电网正常运行时绝缘水平很高，附加直流检测回路的电流很小，不足以使保护装置动作，当绝缘水平下降或漏电时，直流电流增大，保护动作。该保护原理可以可靠地检测单相及三相漏电故障，是实现矿井电网漏电保护的有效方案之一。其原理如图2所示。

直流电流I由直流电源U的正极流出，入 “地”后经绝缘电阻rA、rB和rC进入三相电网，再由三相电抗器SK、零序电抗器LK、千欧表kΩ和直流继电器J，返回电源负极。对于稳定的直流电流，电容器C和电网对地电容CA、CB和CC相当于开路，不会有电流流过。此时直流电流I的计算：

式中：R∑—检漏继电器内阻；相当于三相电网每相对地的绝缘电阻并联，若其中一相（如A相）绝缘电阻降低，另外两相无限大，则=rA；若A、B两相的绝缘电阻同时降低，且rA=rB=r，而另一相为无限大，则=r/2；若三相绝缘电阻同时下降，且rA=rB=rC=r，则=r/3。

绝缘动作电阻值的大小，可根据安全要求来确定，这样就可以确定继电器的动作电流Idz。当绝缘电阻下降到一定程度或电网发生漏电故障时，电流I将大于或等于继电器的动作电流Idz，继电器便动作。

在系统中应用时，直流电源U由直流产生电路提供，其电压值基本恒定。这样，电网的绝缘状况可以通过电位器R6上的电压来反应，检测此电位器上的电压UL，即可得到电网绝缘状况。电压UL和电网绝缘电阻的关系见式：

3 漏电闭锁电阻值与动作值的确定

漏电闭锁电阻值是根据漏电动作电阻值确定的，而漏电动作电阻值的确定是以保证人身触电的安全性为前提的。

煤矿安全规程规定我国煤矿井下人身触电安全电流值为30mA[4]。假设rA=rB=rC=r，在不考虑电网电容的情况下，计算得：在660V供电电压下，流过人体电流按30mA计算，便可确定出允许的电网最小漏电电阻值为：

考虑到三相电网的漏电电阻对直流而言为并联通路，则漏电动作电阻值为：

实际采用11kΩ。一般三相绝缘并非对称下降，当一相绝缘电阻降低为r，而其余两相仍为无限大时，人身触电电流要大于30mA，为了寻求人身触电的安全条件及维护低压电网多支路正常运行，一般取漏电闭锁电阻值为漏电动作值的2倍，即22kΩ。同理可得1140V电网的漏电闭锁电阻值为40kΩ。该保护系统适用于660V和1140V两种电压，因此，需选择不同的漏电闭锁值（660V为22kΩ；1140V为40kΩ），通过在程序中设置不同的比较值来实现。