煤矿低压电网漏电容性电流自动补偿研究

徐国萍

（山西焦煤西山煤电（集团)公司，山西太原030053）

·试验研究·

煤矿低压电网漏电容性电流自动补偿研究

徐国萍

（山西焦煤西山煤电（集团)公司，山西太原030053）

针对煤矿井下中性点绝缘低压供电线路中，由于电网对地分布电容的存在，使漏电电流或人身触电电流超过极限安全值，并且电网分布电容的多变容易引起原系统过补偿或欠补偿的情况，提出基于最小漏电电流闭环控制理论的电感量粗调和细调相融合的自动补偿方案，采用单片机控制继电器自动切换磁放大器多抽头交流绕组实现电感量有级调节，通过步进电机调节电位器改变磁放大器直流绕组的电流，实现电感量无级调节，从而使流过磁放大器的电感电流完全补偿电网分布电容的电流。该系统补偿速度快、精度高、调整周期短，补偿过程操作方便、安全。

漏电保护;容性电流;自动补偿

1 问题的提出

在中性点直接接地的低压供电系统中，若发生漏电事故，会产生很大电流，可达数百、甚至数千安培，将会对安全生产造成严重威胁。因此，《煤矿安全规程》规定：严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。目前，国内井下广泛采用变压器中性点绝缘的供电系统。中性点绝缘的供电系统，发生单相接地（包括直接接地和经过渡阻抗接地）或两相、三相对地的总绝缘阻抗下降到危险值的电气故障称为漏电故障。此类供电系统人身触及一相带电导体的情况，属于单相经过渡阻抗接地。在电网发生漏电故障时，必须采取有效的保护措施，否则会造成如下问题：人身触电事故，接地点产生的漏电火花引起瓦斯煤尘爆炸，电雷管的提前引爆；长期存在的漏电故障，可能使电气设备的绝缘恶化，造成相间短路、电火灾和其他危及矿井安全的电气故障。电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻的下降，直接对电网各相对地绝缘进行检测的漏电保护方式是附加电源直流检测式漏电保护，它具有保护全面，跳闸不受故障类型和发生时间、地点的影响，动作值整定简单，可靠性高等优点，被广泛应用于低压供电系统馈电开关和磁力启动器中［1-3］。

井下低压电网对地电容的存在，会使漏电电流和人身触电电流显著增大，而单纯提高绝缘电阻,到一定程度后反而会使漏电电流和人身触电电流增大。从电网运行的角度看,则希望绝缘电阻越高越好。这一矛盾,只有在电容的作用完全消失,或者说电容电流完全被补偿的情况下才能解决［4］。附加电源直流检测式漏电保护器有一个突出的特点是可以补偿整个供电单元电容电流，使漏电电流和人身触电电流减小，等于人为地减轻了故障程度。煤矿常用的附加电源直流检测式漏电保护器有微机综合保护装置ST600、SG500和JJKY30型、JJB型（JY82型改进后）检漏继电器。均需通过观测漏电监视电流表，进行手动调节。但井下低压供电单元的对地分布电容大小与电缆的长度、截面、绝缘材料的厚度和电介质的性质有关，受长度影响最大，电缆总长度越长，电网对地电容越大，容抗越小［5-6］。特别是采掘工作面的设备经常移动，电缆长度不断变换，引起对地分布电容变化较大。现有漏电保护装置存在：1）电容电流补偿调整周期太长，一旦电感值确定以后在井下就不能随电网分布电容参数变化及时调整，因而不能保证在整个使用周期内的最佳补偿，一旦分布电容发生变化，便会出现过补偿或欠补偿，降低了安全性。2）每次操作需要开盖，手动改变抽头或手动调节，通过目测电流表配合人工调节，操作不方便，调节繁琐。并且在井下带电打开防爆外壳调整不符合防爆技术要求，甚至会造成新的不安全因素。3）为符合防爆要求，一般均在地面进行调整，无法准确实现对井下参数的最佳补偿。

鉴于此，本文从最小漏电电流闭环控制理论出发，采用单片机控制系统，检测漏电电流的大小，计算并调节补偿电容所需的电感量，对磁放大器多抽头交流绕组进行电感量粗调，同时驱动步进电机对磁放大器直流绕组的电流进行细调，从而使流过磁放大器的电感电流完全补偿电网分布电容的电流。

2 容性电流补偿原理

煤矿井下供电系统为三相电源的中性点不接地供电系统。当供电系统发生了漏电或人身触电时，原来三相对称的运行状态发生变化，其对地的对称性遭到破坏，因而各相对地电压不再对称，并产生零序电压和零序电流。由于电网对地电容电流的存在，使得人体触电时的电流超过极限安全值，危害人身安全。为了消除分布电容的影响，根据电工理论，在电感与电容并联的电路中，电感电流与电容电流反相，前者滞后电源电压90°，后者超前电源电压90°，因此，在附加电源直流检测式漏电保护中的人为中性点与大地之间增设一条可调的感性支路，利用零序电流流过感性支路所产生的电感电流与电网对地电容电流相抵消的原理，使故障处漏电电流或人身触电电流大为降低，这就是电容电流补偿。

当发生单相漏电或人身触电时，容性电流补偿等效电路原理见图1。

图1 容性电流补偿等效电路原理图

图1中C1、C2、C3分别为三相电网对地分布电容，产生容性电流，R1、R2、R3分别为三相电网对地绝缘电阻，产生电阻性电流，这两类电流都经模拟漏电回路流回电网，此时三相电抗器的3个绕组分别连接到电网的A、B、C相，三相电抗器连接成Y形接法，构成人为中性点，可调电感线圈产生感性电流，也经模拟漏电回路流回电网。根据电路基本理论，取电网每相分布电容值C1=C2=C3=C，即容抗为X3C；电网每相绝缘电阻值R1=R2=R3=r，即电阻为r/3；电感线圈可调电感值为L，即感抗为XL，则电网对地总零序阻抗Zs为r/3、X3C，XL的并联，即：

当Zs取最大值，即达到电容电流被全部抵消时，漏电电流或人身触电电流最小，此时的条件为：

即XL=X3C或L=1/3ω2C，满足并联谐振条件时，电容电流被完全抵消，漏电电流最小。因此，电网对地分布电容值C增大时，电感线圈可调电感值L应相应减小；电网对地分布电容值C减小时，电感线圈可调电感值L应相应增大，才能满足完全补偿。所以，通过调节电感线圈电感值L，即可实现容性电流完全补偿。

3 自动补偿系统组成

矿用低压电网漏电保护器的容性电流自动补偿可根据分布电容的变化，自动补偿电容电流，不需要开盖手动操作，便使系统到达最佳补偿状态，实现附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿，容性电流自动补偿系统见图2。

图2 容性电流自动补偿系统图

容性电流自动补偿系统由电容电流自动补偿主电路及电容电流自动补偿控制电路两部分组成，电容电流自动补偿主电路由电容电流自动补偿继电器有级切换电路与电容电流自动补偿步进电机无级调节电路组成。

1）电容电流自动补偿继电器有级切换电路由磁放大器及继电器切换电路组成，磁放大器是可调电感线圈，包括上交流绕组L1、下交流绕组L2和直流绕组L3。继电器切换电路通过单片机检测漏电电流的大小，控制继电器线圈得电，从而使相应继电器动合触点闭合，实现继电器切换控制。继电器切换的目的是通过调整抽头接线方式改变匝数实现改变磁放大器电感值，其调节过程是有级的。

2）电容电流自动补偿步进电机无级调节电路由磁放大器、磁放大器直流电源、旋转式可调电位器、联轴器、步进电机及步进电机驱动器组成，安装时步进电机驱动器连接步进电机，步进电机驱动器给步进电机提供动作所需的指令信号及驱动功率，步进电机的输出轴与旋转式可调电位器的调节轴通过联轴器连接，目的是步进电机的转动量与旋转式可调电位器的转动量一致，依靠步进电机调节旋转式可调电位器的电阻值。磁放大器直流电源为磁放大器的直流绕组L3提供稳定的直流工作电源，当旋转式可调电位器的阻值变化时，磁放大器中的直流绕组L3的直流电流发生改变，通过改变磁导率来改变磁放大器的电感值。电容电流自动补偿控制电路由电流传感器、A/D转换电路、单片机、光电隔离电路、自动补偿按钮组成，电流传感器用来采集按下自动补偿按钮时电网的漏电电流，该漏电电流经A/D转换电路变换后由单片机采集，再经单片机运算后通过光电隔离电路控制继电器的线圈回路，对磁放大器的匝数进行调节，然后单片机发出指令信号控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，改变旋转式可调电位器阻值，从而改变直流绕组L3的电流值。

容性电流完全补偿系统采用最小漏电电流闭环控制原理，通过单片机控制系统调节磁放大器电感量，实现容性电流最佳补偿。由电磁理论可知，磁放大器电感值L=4πN2μA/l，式中，N为线圈匝数；A为铁芯截面积；l为磁路长度；μ为铁芯磁导率。改变磁放大器的交流线圈匝数即可改变电感值，但调节量较大，且为有级调节。进一步根据磁路的欧姆定律，可知磁通φ=Ni/Rm=H·μ·A，式中，i为线圈通电电流；Rm为磁路的磁阻；H为磁场强度。当连续改变直流控制电流i大小时，磁通φ发生变化，磁导率μ随着发生变化，交流线圈的电感值发生改变，且为无级调节。有级调节与无级调节配合使用，不仅可加快调节速度，提高补偿精度，减小无级调节的动作量，且可实现完全补偿。由于分布电容在0.1~1 μF范围变化，分布电容为最小0.1 μF时对应完全补偿的电感量为33.8 H，分布电容为最大1 μF时对应完全补偿的电感量为3.38 H，因此，设计磁放大器电感值取值范围为1~40 H。

4 自动补偿实现方法

容性电流自动补偿系统可以实现实时动态补偿和手动控制自动补偿两种方式。通过在低压隔爆开关外壳上装设切换开关，控制自动补偿按钮SE是否投入控制，从而实现实时动态补偿或手动控制自动补偿的切换。在实际情况下，由用户根据自己的需要进行选择。

1）粗调。当按下自动补偿按钮（或动态补偿自动执行时），自动补偿按钮的动断触点先断开，然后动合触点闭合，此时电网漏电电流通过漏电模拟电阻、电流传感器、电流表、自动补偿按钮的闭合触点与辅助接地极构成模拟漏电回路。一方面漏电电流流过电流传感器，另一方面暂时断开附加直流电源控制装置，不让附加电源直流检测式漏电保护器动作跳闸。电流传感器采集的漏电电流信号，经A/D转换电路变换后，输入到单片机，经单片机判断后，控制光电隔离电路，并驱动继电器的线圈回路，首先进行有级调节，即进行自动初调。通常先选择减小交流绕组线圈匝数去比较，通过寻找最小漏电电流值来固定接法。若初始状态接法已接入最小匝数，则按照增大电感量的方法寻找最小漏电电流值；若初始状态接法已接入最大匝数，则按照减小电感量的方法寻找最小漏电电流值，最终固定接法，结束粗调过程。

2）精调。粗调结束后，单片机发出控制指令给步进电机驱动器，通过联轴器带动旋转式可调电位器转动，从而改变其电阻值。磁放大器直流电源为旋转式可调电位器与直流绕组L3的串联回路提供电源，通过旋转式可调电位器的阻值改变来调整直流电流值，从而连续改变磁放大器的电感值。首先，单片机采集并存储当前时刻电流值后，发出逆时针旋转方向信号，脉冲发送周期为20 ms，间隔20 ms发出1个脉冲旋转位置信号，步进脉冲发出后，在20 ms间隔内比较前一时刻漏电电流值与当前时刻漏电电流值，若当前时刻漏电电流值小于上一时刻漏电电流值，则继续执行逆时针旋转指令，并进行漏电电流比较，直到比较出最小漏电电流值，步进停止；若当前时刻漏电电流值大于上一时刻漏电电流值，则以20 ms周期执行顺时针旋转指令，并进行漏电电流比较，直到比较出最小漏电电流值，步进停止。最后松开自动补偿按钮结束调节。

5 结论

1）矿用低压电网容性电流自动补偿可以根据分布电容的变化，自动补偿电容电流，不需要开盖手动操作，使系统到达最佳补偿状态，实现附加电源直流检测式漏电保护器的容性电流自动补偿。

2）基于最小漏电电流闭环控制原理，磁放大器交流绕组抽头切换采用单片机控制继电器方式实现电感量粗调；直流绕组的控制电流通过单片机驱动步进电机系统自动调节可调电位器来调节，实现电感量细调从而使流过磁放大器的电感电流完全补偿电网分布电容的电流。粗调与细调均采用自动方式，粗调可减小细调的动作量，加快调节速度。

3）系统补偿速度快、精度高、调整周期短。

4）自动补偿开关装设在设备的外壳上，无需开盖手动调整，系统即可自动实现电容电流最佳补偿，补偿过程操作方便、安全。

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Research on Capacitive Current Automatic Compensation on Low Voltage Power Grid Leakage Protection of Coal Mine

Xu Guo-ping

In neutral insulation low voltage power supply lines of coal mine，due to distributed capacitance exists，the leakage currents or personal electric shock currents exceed the limited safety value，and the changes of distributed capacitance easily cause the original system overcompensation or under compensation.The automatic compensation scheme of combining inductance the coarse adjustment with the fine adjustment is proposed on base of the minimum leakage currents closed loop control theory.Using single chip microcomputer control relay automatic switching magnetic amplifier is to achieve multi tap AC winding inductance step adjustment.The currents of magnetic amplifier DC winding are changed by single chip microcomputer control step motor to adjust potentiometer. The system attains stepless regulation of the inductance，so that the currents of distributed capacitance are completely compensated by the inductor currents of the magnetic amplifier.It has many advantages of fast compensation speed，high precision，short cycle，safety and easy operation during compensation process.

Leakage protection；Capacitive current；Automatic compensation

TD61

A

1672-0652（2014）12-0004-04

2014-11-12

徐国萍（1965—），女，山西太原人，1987年毕业于山西矿业学院，高级工程师，主要从事科技管理工作（E-mail）xgp8889@126.com