煤矿供电系统漏电保护技术的应用与发展

李晓飞　刘英君　沙波　许仁杰　郑伟

【摘 要】由于井下环境恶劣，井下时常发生漏电故障，作为煤矿供电系统三大保护之一的漏电保护对整个煤矿正常生产与人身安全有着的重要意义，根据《煤矿安全规程》要求漏电电流不得超过30mA·s，所以对于井下漏电保护要求具有足够的可靠性和相应的灵敏性来维持矿井供电系统的安全稳定。随着数字化矿山的发展趋势，漏电保护装置也由传统的模拟器件向着由微机监控和处理信息的漏电保护综合系统发展，本文简要介绍了目前漏电保护技术目前应用与发展状况。只有研究好了煤矿漏电保护才能为煤矿安全生产保驾护航。

【关键词】漏电保护；煤矿供电；应用

Application and Development of Leakage Protection Technology in Coal Mine Power Supply System

LI Xiao-fei LIU Ying-jun SHA Bo XU Ren-jie ZHENG Wei

（China University of Mining and Technology〈Beijing〉Institute of mechanical and electrical and information engineering， Beijing 100083， China）

【Abstract】Due to the harsh conditions in the mine， mine frequent leakage fault， as the leakage protection in mine power supply system to protect one of the three of the entire coal mine normal production and personal safety has important meaning. According to the < Coal Mine Safety Regulations > requirements leakage current shall not exceed 30mA - s， so for the underground leakage protection requirements with enough reliability and the corresponding sensitivity to maintain the safety and stability of power supply system of coal mine. With the development trend of the digital mine， leakage protection device also by the traditional simulator towards the development of integrated system by microcomputer monitoring and processing of information leakage of protection. This paper briefly introduces the current leakage protection technology at present With the development of the coal mine. Only to leakage protection for the coal mine production safety escort.

【Key words】Leakage protection； Coal mine power supply； Application

0 引言

在煤矿供电系统中，导体对大地的绝缘下降到一定的程度或者发生电气设备发生短接故障时会发生漏电故障，由于井下潮湿环境和工作不当，导致漏电故障时常发生。漏电故障发生时不仅对井下操作人员构成危害，而且由于煤矿存在一定的瓦斯和粉尘，漏电故障的发生引起电火花，可能导致瓦斯或粉尘爆炸，对整个煤矿安全生产构成威胁，所以研究好漏电保护对国民生命财产有着重要的意义。

随着漏电保护技术的不断发展，以及相应器件不断向着数字化、智能化方向发展，漏电保护装置也从以前只具有单一的跳闸功能或者只能监控一种故障，逐渐发展成具有在线监控、数据传输与分析、打印、智能化人机界面等多功能的能处理多种故障，同时具有漏电闭锁，安全接地的漏电保护装置在煤矿供电系统中应用的越来越多了。这种具有高集成化，安全性，可靠性大大提升了的漏电保护装置正成为保证煤矿安全生产，矿工生命安全新的安全卫士。

1 漏电保护原理及应用

1.1 附加直流电源检测式漏电保护

当井下供电系统发生漏电故障时，易检测到三相电网各相对地绝缘电阻的下降。如果在三相电网中附加一个直流电源，使之作用于三相电网与大地之间，在三相对地的绝缘电阻上将有直流电流流通。该电流的大小直接反映了电网对地绝缘电阻的变化，有效检测和利用该直流电流，就可以构成附加直流检测式漏电保护[1]。

附加直流电源检测的保护原理如图 1 所示。漏电保护单元由直流检测电源、直流检测回路、信息采集回路、继电保护机构等几部分组成。

图1 附加直流电源检测式漏电保护原理图

1.2 利用三个整流管构成的漏电保护装置

三个整流管构成的漏电保护原理如图 2所示。三个整流管分别接到电网的 a、b、c三相 ，另一端星形连接在一起 ，并经负载电阻Rfz接地。由于煤矿供电系统中多采用中性点不接地方式，三个整流管D整流以后的直流电流 ，流经负载电阻、大地、电网对地的绝缘电阻，之后返回电源[2]。由于三相对地绝缘电阻的大小直接影响直流电流的大小，因此通过检测直流电流的大小就反映了电网对地的绝缘情况， 可以通过此原理构成漏电保护装置。

图2 利用三个整流管构成漏电保护的原理

1.3 零序电压式漏电保护

井下供电系统发生漏电故障时会产生一定的零序电压，利用零序电压的大小可以反映三相电网对地绝缘电阻的大小，通过检测零序电压，当达到一定动作值时可以使开关跳闸，对人员和电气设备进行保护。其保护原理图如图3。

图3 零序电压式漏电保护原理

1.4 零序电流式漏电保护

根据上述零序电压式的漏电保护原理可知，当不对称故障回路中包含零序回路时，在零序电压的作用下必然会产生零序电流，零序电流的大小也可以反映对地绝缘的水平。利用一个零序电流互感器构成的检测回路可以监测系统绝缘水平，进而通过电流继电器的动作，切断故障线路。其保护原理图如图4。

图4 零序电流式漏电保护原理

1.5 零序功率方向式漏电保护

零序功率方向的保护原理。系统利用了零序功率方向的保护原理， 结合了零序电压保护、零序电流保护、零序电流方向的保护原理。不仅利用零序电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内是否发生漏电和哪条支路发生漏电， 同时还利用了各支路零序电压和零序电流的相位关系来判断漏电支路。如此可以做到良好的选择性[3]。其保护装置构成图如图5。

图5 零序功率方向式漏电保护原理

1.6 旁路接地式漏电保护

旁路接地原理实质上是一种当电网发生单相漏电或人身触及一相时，在供电开关跳闸以前的附加保护接地，使已漏电的一相导线接地，因而即使是人身触及相线，也有显著的保护作用[4]。旁路接地式漏电保护的基本依据是在中性点不接地系统中发生单相漏电时，而不影响电网电压的对称性， 整个电网仍可以带负荷运行。并由执行电路使故障相直接接地，此时漏电电流绝大部分经旁路接地极入地， 而漏电点处的电流或人身触电电流则变得很小，因而提高了漏电保护系统的安全性，其保护原理如图6。

图6 旁路接地式漏电保护

1.7 应用与比较

根据以上六种漏电保护原理我们可以得到如下表格：

2 现有漏电保护系统的构成

目前应用于矿井供电系统的漏电保护大致可分为无选择性和选择性，而尽可能使供电系统安全稳定运行以保证井下生产的不间断，多采用选择性漏电保护装置。根据上述漏电保护原理，可知具有选择性的漏电保护主要采用零序电流方向保护和零序功率方向式漏电保护。

2.1 现用漏电保护分析

我们简要介绍具有三级选择性漏电保护：每一磁力起动器内部装有 DXL-660C作为磁力起动器配出线漏电保护的第一级；每一分支开关中 DXL-660C漏电保护器作为磁力起动器到分支馈电开关之间的漏电保护构成第二级；第三级是 BJJ4隔爆型带旁路接地的总检漏继电器 ，与总的馈电开关配合。该系统横向选择性上是通过零序电流的方向来实现的 ，而纵向选择性是通过时间差 。而总检漏继电器动作时间较长 ，第二级漏电保护的动作时间也较长 ，两者之和大约0.6-0.7s，这对人身安全极其不利 ，为了解决选择性与快速性之间的矛盾 ，需要在检漏电器中加入旁路接地装置 ，当电网发生单相漏电或人身触电时，通过检测选相器确认故障相电路 ，并由执行电路使故障相经低电阻入地 ，而漏电或人身触电电流则变得很小 ，为了适应上述特点 ，要求该系统必须具有以下功能：

1）旁路接地的动作时间必须短，否则将失去旁路接地的意义。

2）选择故障支路必须正确，否则触电时加在人身上的电压反而升高 ，造成人身伤亡事故。

3）在旁路接地动作前，各级检漏继电器必须能记忆故障支路 ，否则将失去选择性。

4）故障支路切除后 ，旁路接地必须解除。要满足上述要求，系统必然很复杂，特别是对旁路接地的准确性要求很高，各级之间的配合很严密 ，这些都会给运行和维护带来一定困难 ，而利用两零电流互感器的零序电流方向作为漏电保护就可以克服上述缺点[5]。

3 漏电保护装置的发展

目前，随着电子技术与计算机技术的发展，漏电保护已从单独的保护装置发展为与各类开关的配套组合的综合装置，从单一原理型发展为多种原理综合型， 从原始的机电式控制发展为计算机控制 ，使普通开关变成了具有过流保护、保护接地、漏电保护、漏电闭锁等多种保护功能的综合保护装置，从只能处理几种故障情况的硬件装置发展成为具有智能化的能自行预计判断与处理恢复功能的智能电器计。随着通信技术的发展与多样化，可以采取分布式漏电保护装置，通过现场总线或者无线传输网络将物理量传送到上位机，经过A/D变换在上位机中设定的软件中进行信息处理、比较放大、信号输出等环节；使保护性能更加优越，动作更加灵敏、可靠 ，实现供电系统的智能化控制，利用多功能数字显示屏建立了良好的人机界面， 通过它可以直观进行短路、过载、漏电等多种保护参数的设定 ，循环显示系统的各种工作参数和对地绝缘水平，故障跳闸后可再现故障的类型 ，使故障的判断和排除更加快速和简洁[2]。

然而，漏电保护技术的研究和发展还在继续进行着 ，能根据矿井供电系统运行情况和故障状态的变化而实时改变保护原理、性能、特性和定值的自适应漏电保护技术已进入研究和开发的过程中。这将为实现总漏电保护单元与分支漏电保护单元之间的在线通信、可靠的漏电闭锁和选择性保护跳闸提供技术保证 ，提高供电的可靠性 、安全性和生产效率。这也是漏电保护技术的研究和发展方向 。从运行角度考虑 ，自然是要求漏电保护系统有选择性，但从安全考虑， 选择性漏电保护系统又存在动作时间长、 触电的危险性增大的问题， 因此， 既要考虑漏电保护装置动作的选择性 ， 又要满足人身触电的安全要求 ，还要适合我国现行矿井供电系统的中性点不接地方式的特点[6]。

4 结语

矿井供电系统的漏电保护十分重要，因此发展和完善漏电保护装置对矿井安全生产具有重要意义。根据6种不同的漏电保护原理现已组成应用于不同情况下的漏电保护系统，但随着科学技术的发展和矿井安全生产更高的要求，具有自适应的，数字化的，智能化的漏电保护成为研究的热点。

【参考文献】

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[2]张长森.矿井低压电网漏电保护的现状及发展趋势[J].煤矿机电，2005（5）.Zhang Changsen. Current situation and development trend of leakage protection for mine low voltage power network[J]. coal mine electromechanical， 2005 year fifth.

[3]高彦，王念彬.基于零序功率方向选择性漏电保护系统的研究[J].煤炭科学技术，2005，11， 33（11）.Gao Yan， Wang Nianbin. Based on the zero sequence power direction selective leakage protection system[J]. Coal science and technology. Vol. 33 No. 11 in 2005 November.

[4]邹有明.旁路接地漏电保护最佳选相方案[J].焦作矿业学院，煤矿机电，1992（5）.Zou Youming. The best choice for the protection of the bypass earth leakage protection[J]. Jiaozuo Mining Institute. Fifth phase of the coal mine mechanical and electrical， 1992.

[5]徐爱彦.浅议煤矿井下漏电保护[J].山西焦煤科技，增刊，2006，6.Xu Aiyan. Analysis of underground leakage protection[J]. Shanxi coking coal science and technology supplement， 2006 June.

[6]卢恩贵.浅谈漏电保护技术的研究与发展[J].煤矿安全，2007，02，1003 - 496X（2007）02 -0040-05.Lu Engui. The research and development of leakage protection technology[J]. coal mine safety， -0040 021003 - 496X（2007）02 -05.2007.

[责任编辑：杨玉洁]