煤矿漏电保护系统模拟电网设计

吴 姜

（贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025）

煤矿漏电保护系统模拟电网设计

吴 姜

（贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025）

设计一个模拟电网，在实验室将该模拟电网、矿用隔爆馈电开关和矿用检漏继电器按一定的结线方式连接，构成煤矿漏电保护模拟系统，该模拟漏电保护系统可反映供电系统的绝缘水平(电阻)，同时可模拟煤矿在单项漏电、两项漏电、三项漏电、有人触电等不同状态下的漏电保护，并且测出漏电保护动作电流和系统的绝缘水平(电阻)，揭示煤矿漏电保护的工作原理。

煤矿;漏电保护;模拟电网设计;实验室

0 引言

煤矿井下环境条件恶劣，容易发生各种电气事故，如电气设备和电缆常会受岩石和煤块的碰击导致漏电;井下空气潮湿，相对湿度在90% ～95%以上［1］，而且煤矿井下机电室和巷道常有滴水或淋水，电气设备容易受潮导致漏电。一旦漏电，可使电气设备的绝缘恶化，从而造成相间短路，可能导致人身触电、引发电火灾、瓦斯煤尘爆炸和电雷管的先期爆发，严重危及人员和矿井安全，因此必须采取漏电保护，以防止漏电事故范围的扩大［2］。为了使学生更好地掌握漏电保护工作原理，设计了这样一个漏电保护模拟电网，直观显示漏电保护工作原理。

煤矿井下低压漏电保护通常采用矿用隔爆自动馈电开关和矿用隔爆检漏继电器配合使用，实现整个低压供电单元漏电保护。如图1所示［3］，其中DB1:矿用隔爆高压开关;T1:矿用变压器，QA:矿用隔爆自动馈电开;QA1总开关，其余的为支路总开关;SM:矿用隔爆磁力启动器;KG:矿用隔爆检漏继电器。当运行中的电网对地绝缘电阻降低到危险值或人触及一相导体或电网一相接地时，检漏继电器KG发出漏电指令，隔爆自动馈电总开关QA1迅速跳闸，另外通过检漏继电器内装的欧姆表时刻监视电网的绝缘水平，在380、660、1 140 V 的电网中绝缘水平分别为 3.5、7、11 kΩ［4-5］，只要供电系统任何一处发生漏电，其绝缘等于或低于该水平，则矿用隔爆自动馈电开关迅速跳闸切断电源，进行漏电保护，有效防止了人身触电、瓦斯和煤尘爆炸等漏电事故［6］。

图1 采区变电所——工作面配电方式

在实验室进行漏电保护模拟实验必须要设计一个模拟电网，然后与KBZ系列隔爆自动馈电开关和JY82型矿用隔爆检漏继电器按照一定的接线方式连接如图2所示，才能实现低压电网的漏电保护和时刻监视电网的绝缘水平。KBZ系列矿用隔爆自动馈电开关可购买成品，具有机械闭锁系统和自动跳闸切断电源的作用;JY82检漏继电器购买成品，具有时刻监视电网的绝缘水平、进行漏电保护和补偿流过人身的电容电流的作用。

图2 漏电保护系统框

1 设备

JY82检漏继电器和KBZ列隔爆自动馈电开关购买成品，模拟电网模自制。

1.1 JY82检漏继电器主要元件及作用

从文献［6］中介绍的JY82检漏继电器中各部件的工作简述于下:

1L:三相电抗器。其作用是引入交流电;

2L:零序电抗器。它有两个作用:一是本身具有较大的电抗值(105Ω)，可以保证三相电抗器中性点对地的绝缘水平，二是通过它的电感电流来补偿漏电、触电时的电容电流;

KD:直流继电器，是检漏继电器的执行元件.它的额定动作电流为5 mA，有两个常开接点 KDl和KD2，KDl为动作接点，用以接通自动馈电开关脱扣线圈的电源;KD2为自保接点;

kΩ:欧姆表，它实际上是一只刻着欧姆刻度的直流毫安表，用以监视电网的绝缘水平;

vc:桥式整流器，提供直流检测电源，即附加到三相电网与大地间的直流电源;

R3:试验电阻，用以检查检漏继电器的动作是否叮靠，其数值对于660 V电网为10 kΩ，对于380 V电网为 3.3 kΩ;

SB:试验按钮，与试验电阻和辅助接地极配合，检查检漏继电器的动作是否可靠;

1PE:局部接地极;2PE:辅助接地极。

1.2 KBZ系列隔爆自动馈电开关主要元件及作用

文献［7］中的KBZ系列的隔爆自动馈电开关各部件的工作为:

KM:手动三极接触器由其手柄直接控制，用于正常情况下接通和切断电源;

YA3:分励脱扣线圈，实际上为一只有压释放器，它与检漏继电器配合使用，其一端接三极接触器负荷端的L2相，另一端经接线盒的线柱x接至检漏继电器的常开接点。当线路有漏电情况时，检漏继电器的常开接点闭合，使YA3线圈经此接点与电源的另一相(Ll或L3)相接，于是该线圈便因同时接于两相电源而带电，导致自动开关跳闸。

1.3 模拟电网

通过模拟电网模拟煤矿井下供电系统，其关键是设计三相电缆对地绝缘电阻的大小。

2 模拟电网设计

2.1 漏电保护动作电阻的整定计算

目前我国煤矿井下广泛使用的是变压器中性点绝缘(不接地)或中性点经高电阻接地的运行方式如图3所示。在该供电系统中当有人触电后流过人身电流Ima为［8］:

其中:Ima为人身触电电流 (Ima＜30 mA);UN为系统额定电压(V)，系统电压分别取380、660、1 140 V进行计算;Rma为人身电阻(Rma=1.0 kΩ);r=r1=r2=r3分别为三相电缆对地电阻(kΩ);C=C1=C2=C3分别为三相电缆对地电容(μF);ω为角频率(ω=2πf=2×3.14 ×50=314)。

图3 煤矿井下低压供电单元原理图［8］

在式(3)中代如入Ima=50 mA，UN=380 V，Rma=1.0 kΩ，可以算的r=10.2 kΩ，这说明对于 380 V 的电网，各相对地的实际绝缘水平必须保持在10.2 kΩ以上，否则将发生漏电事故，因此可以计算出单相漏电时保护装置动作电阻整定值，即

对于直流回路，三相电网对地的绝缘电阻是并联关系，因此低压电网的单相、两相和三相漏电的动作电阻值，应为1∶2∶3的关系。将上述参数代入式(3)，可分别计算出单相电缆对地电阻最小值以及保护装置动作电阻的整定值。如表1［9］所示。

表1 电缆对地电阻最小值直流检测型漏电保护继电器的动作电阻值

2.2 模拟电网设计

从表1可知，在380 V供电系统中只要三相电网中其中一相对地的绝缘电阻降至10.2 kΩ则将发生单相漏电事故。因此设计模拟电网三相对地电阻必须小与或等于10.2 kΩ，因此，如图4所示r1和r2都设计为10 kΩ，在L3相则设计两个并联电阻既r3=8.5 kΩ，r4为一个可调电阻其大小为0～75 kΩ，r5=1 kΩ，当K开关关闭时表示三相电网对地绝缘降至所对应的电阻值;K开关断开时表示三相电网对地绝缘降至无穷大，K开关断开，r4调至零则表示有人触电，毫安表用于检测漏电保护的动作电流。

图4 模拟电网

3 漏电保护工作原理

按图5［10］将 JY82检漏继电器、KBZ列隔爆自动馈电开关、模拟电网连接，隔离开关QS合闸以后，整个检漏继电器便通过三相电抗器lL与总开关QA连接，并开始工作。其直流检测漏电保护回路如下［11］:

图5 漏电保护工作原理图

3.1 时刻监视电网绝缘水平

流过漏电保护回路的电流为:

从式(4)可知，直流检测回路中的电流将随∑r的减小而变大，即豪安表读数可以表示电网对地绝缘电阻值，按式(4)将毫安表的读数换算成欧姆值，就可以随时通过欧姆表读出电网对地的绝缘电阻，这样，可以根据该表的读数时刻监视电网的绝缘水平。

3.2 漏电、触电保护

3.2.1 有人触电时

从式(4)可知，一旦∑r降至表1对应的漏电保护的动作电阻值时，保护动作装置动作切断电源，进行了漏电保护［12］。

3.2.2 无人触电时

流过漏电保护回路的电流为:

式中:UC为附加直流电源电压，检漏继电器调整好后，便保持不变;∑r为三相电网对地总的绝缘电阻，即各相对地绝缘电阻的并联值，当参数对称时，∑，Ω;∑R为除∑r以外，整个直流检测网路中各元件电阻之和，其数值不变，大小可忽略不计。

此时无论是电网绝缘下降还是有人触电流过该直流检测回路中的电流将大于直流继电器KD动作电流5 mA，而使直流继电器KD动作，其触电KD2闭合自保，KD1闭合接通自动馈电开关中脱扣线圈YA的电路，自动馈电开关跳闸，这就实现了漏电保护［13］。

4 漏电保护系统的运行

按照表2设计的试验项目进行测试。

表2 漏电保护系统检测记录表

4.1 时刻监视电网绝缘水平

步骤:① 开关K1K2，K3置“关”状态，电位器r4置最大。②接通电源，记录自动馈电开关不跳闸时欧姆表、毫安表读数。③慢慢调小电位器r4观察欧姆表读数(时刻监视电网绝缘水平)，记录自动馈电开关跳闸时的欧姆表、毫安表读数。

4.2 漏电和触电保护

步骤:①按表2要求逐相降低模拟电网对地的绝缘电阻r。② 记录系统在不同绝缘状态下欧姆表、毫安表读数，

5 结语

从表2可知，通过试验，真实地模拟了煤矿井下漏电保护［14］过程，为学生学习漏电保护知识提供一个全面直观的教学环境［15］。

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Simulation Grid Design for Coal Mine Electric Leakage Protection System

WU Jiang(Institute of Mining，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In laboratory，a simulation grid was design，and connected to mining flame-proof feeding switch and relay mine leak detection in a certain way，and form the mine electric leakage protection simulation system.The electric leakage protection system can reflect the insulation level of the power supply system(resistance)，at the same time can simulate coal mine in the three single leakage，two leakage，It can also simulate the case that someone get an electric shock and provide leakage protection of different conditions，such as leakage protection，and leakage protection action current and the insulation level of the system can be measured as well.It reveals the working principle of leakage protection of coal mine，and can help the student to study the leakage protection knowledge.

coal mine;leakage protection;simulation grid design;laboratory

TD 611

A

1006－7167(2014)05－0077－04

2013－07－11

吴 姜(1964－)，女，云南昆明人，本科，高级实验师，研究方向:采矿工程。Tel.:13985440535;E-mail:491013070@qq.com