采煤机漏电保护装置的设计研究

2016-09-18成洋

采矿与岩层控制工程学报 2016年4期

关键词：直流电源电抗器漏电

成洋

（陕西能源职业技术学院，陕西咸阳712000）

采煤机漏电保护装置的设计研究

成洋

（陕西能源职业技术学院，陕西咸阳712000）

通过对井下供电系统和异步电动机漏电事故原因的研究，分析了采煤机漏电保护装置的工作原理及出现问题的原因，在附加直流电源式漏电保护原理的基础上，针对已出现的问题提出了改进方案，减少了变频器等装置的影响，提高工作效率，实现以硬件保护为主，同时辅以软件监测、监控的漏电保护装置。

采煤机；漏电保护；异步电动机；变频器

交流异步电动机是煤矿井下生产活动的主要运行设备，但因为井下工作环境较为恶劣，电动机需要长时间地面对高温、高湿、煤尘等环境因素的危害，使电机容易产生烧坏或绝缘程度降低而发生漏电等现象，易造成对人员或设备的伤害。我国《煤矿安全规程》中规定:井下低压馈电线上，必须装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置，保证自动切断漏电的馈电线路［1］。所以井下电机的漏电保护装置是必不可少的。

1　电机漏电保护装置的分类

漏电保护是保证煤矿井下安全供电的3大保护之一，是防止人身触电的重要措施［2］。漏电保护装置是一种用于防止由人身触电或电气设备漏电而引起事故的接地保护装置，其作用在于当电路中或用电设备自身的漏电电流超过装置设定的额定值，或有人、动物发生触电危险时能够快速做出保护动作，切断事故电源，减小事故的发生率和其带来的损失，尽可能地保障工作中的人身及设备的安全［3-4］。我国对于漏电保护的研究已有40多年，漏电保护这一技术已成为我国矿井安全生产必不可少的一部分［5］。

漏电保护装置具有较多的种类，根据井下设备所用供电系统是中性点不接地的特点，目前漏电保护装置原理的类型主要有:附加直流电源式保护原理、零序电压保护原理、零序电流大小及零序电流方向保护原理［6］。前3种漏电保护原理为非选择性保护，即当井下任意位置出现设备漏电或人身触电事故，保护装置将迅速切断整个工作面的供电电源，但不能够准确判定故障产生的位置且做出针对性的保护动作［7］；第4种漏电保护原理为选择性漏电保护，可以准确判断出发生漏电事故的具体位置，且快速将该故障支路与电源断开，其与前3种保护原理相比，在理论上有着极大的优势，但是在井下高温、高湿的特殊环境中，很难准确监测到零序电压、电流，这将导致保护装置具有较高的误动作率，所以我国井下设备大多采用附加直流电源式漏电保护原理，这种原理具有较明显的特征且更容易对电流的变化进行捕捉［8-9］。随着矿井生产能力的增加，以及井下开采设备的更新换代，矿井内供电系统也越加复杂，因而对附加直流电源式漏电保护装置的研究与改进已迫在眉睫。

2　附加直流电源式漏电保护装置原理

目前井下供电系统电源均为中性点不接地方式，这种方式的供电系统产生的漏电电流非常小，使保护装置很难判断是否发生漏电故障，因此井下漏电检测装置需要单独设置一个接地的电源。当系统处于正常工作状态时，检测系统的电流信号非常小，不会致使保护装置动作；而当系统内有电机漏电时，漏电信号将较大，从而推动后级触发器实现保护动作，甚至可以直接触发继电器进行保护。

井下采煤机的漏电保护装置（图1）主要采用附加直流电源式的保护方式，由三相电抗器SK、零序电抗器LK、电容C、直流电源U、采样电阻R、电动机绝缘电阻Rm、比较器等器件组成，比较器输出端连接的电路由限流电阻、三极管及电压继电器等器件组成，电压继电器线圈由12V电源电压供电。

图1　漏点故障保护电路原理

因为零序电抗器和三相电抗器都相当于电感元件，所以当供电为50Hz交流电时，零序电抗器和三相电抗器产生的阻抗非常大，使供电电网与保护装置之间近似完全隔离；而在直流回路中，零序电抗器和三相电抗器则几乎不产生阻抗，不会影响直流回路内的总体阻值，从而不会影响到装置的灵敏度。直流电源通过三相电抗器从而连接在电网与地之间，直流电流从直流电源正极流出，经过零序电抗器、三相电抗器、电动机绝缘电阻Rm、接地点的采样电阻R回到电源负极、形成通路［10］。因为在稳定的直流电路中，电容器C具有 “隔直通交”的特性相当于开路，所以此时回路中的直流电流I 为:

式中，直流电源U值为24V；RΣ=R+rΣ，rΣ为电抗器电阻值；R为采样电阻阻值；Rm为电动机对地绝缘电阻。

式（1）中只有Rm是一个变量，因此检测电路中的直流电流I值可以直接反映出电动机是否漏电，此时采样电阻两端的电压可以表示为U［11］:

当矿井内采煤机正常运行时，采煤机内电机的绝缘电阻Rm非常大，检测电路内的直流电流I非常小，采样电阻两端电压基本为0，而当发生漏电故障时，电机的绝缘电阻Rm将迅速变小，直流回路形成通路，电流I增大，同时采样电阻两端电压迅速增大，将采样电压与比较器负端的基准电压进行比较，当采样电压高于基准电压时，则判断为电动机发生了漏电事故，此时比较器将输出高电平，三极管基极电压上升使三极管导通，从而使继电器KV得电动作，迅速切断电网供电，使井下设备和人员得到及时保护。附加直流电源式漏电保护装置具有漏电现象明显、检测方便、保护延时小等特点，比较适用于采煤机漏电保护［11］。

3　存在问题及原因

目前的采煤机漏电保护装置常常会出现烧毁或者误动作等情况。对于这些故障或问题的出现，主要由以下几方面原因造成:

（1）目前部分漏电保护装置的直流检测电路中的电流检测元件仍是传统的电流互感器，这种电流互感器是一种利用电磁感应原理从而对电流进行测量的变压器，其二次侧电压值与流经其一次侧的电流变化率成正比关系。由于这种变压器较小、形式较简单，对外部大磁场的抗干扰能力较弱，因此在受到影响时会产生较大的误差。

（2）目前部分漏电保护装置的校验部分提供给比较器负端的基准电压仍然是通过电阻分压得到，在井下高温、高湿的环境中，电阻值容易发生较大的变化，从而影响基准电压的准确性，这将成为保护装置误动作或动作不准确的一大隐患。

（3）目前使用的漏电保护装置采用的附加直流电源式保护原理对故障没有选择性，即任一支路发生漏电故障，保护装置都会切断整个工作面的供电电源，这将使工人对故障点进行查找和检修时花费很大的工作量。

此外，研究发现漏电保护装置还受到采煤机上电前和正常工作漏电检测两方面的影响:

电动机反电动势在电动机上电前，漏电保护装置的直流检测电路已开始工作，通常在开关主触点分断同时动作时，主电路中的变频器是停止状态，所以变频器装置不会对检测电路造成干扰。但是由电动机的结构和工作原理可知，电机内部的电磁绕组是电机的主要组成部分，并且电机的工作原理为电磁线圈的感应作用，所以当电网断电瞬间，由于电机内部电磁绕组的惯性作用，将使电机定子绕组两端产生与电网电压方向相反的反电动势。当供电系统内主电路上开关频繁通断或通断时间配合不当时，将可能导致电机定子绕组两端产生的反电动势窜入到检测电路中，造成漏电保护装置烧坏。

变频器当漏电保护装置的检测电路工作时，处于主回路的变频调速装置也在运行。变频器是一种以电力电子器件为核心的装置，变频器内包含整流和逆变两个主要部分，通过控制大功率晶闸管的开通时间和顺序来改变电压的输出频率。而大功率晶闸管的频繁通断是影响电压中谐波含量的主要因素，在大量的谐波分量中，高次的谐波分量往往高于给定的基准电压，从而导致了漏电保护装置的误动作。

4　改进方案与设计

通过对现有漏电保护装置的研究，并针对以上提出的问题，对采煤机漏电保护装置提出了进一步的设计和改进方案。

（1）针对采样电路的准确性和稳定性，设计采用霍尔电流传感器对检测电路中采样电流进行捕捉，霍尔电流传感器是基于磁平衡式霍尔原理，通过检测与原边电流成比例关系的磁通量，输出电压信号［12］，实现了电—磁—电的绝缘隔离转换，使采样值更加稳定，不容易受外界影响、误差小。

（2）针对校验部分的比较器负端的基准电压，提出采用TL431元件为比较器提供稳定、标准的基准电压，同时采用高精度的电阻，通过不同的配置可实现2.5V到36V之间任意的基准电压值。确保了电路的稳定性，减小了误差。

（3）针对漏电保护装置对漏电保护的非选择性，设计针对采煤机的每一个电动机都增加保护电路（图2），通过继电器和PLC同时对采煤机电源进行控制并采集每一个电机的漏电信号进行分析处理，增加触摸屏显示部分，实现对漏电电机位置的显示功能，方便工人的检修，减小工人工作量。

图2　霍尔元件采样的漏电保护电路

（4）针对电动机的反电动势和主电路中变频器产生的高次谐波对检测电路产生的影响，增加了双T带阻滤波电路、低通滤波电路以及对电网电压和电机反电动势的检测电路（图3）。

改进后电路原理:考虑到在系统刚通电时，漏电保护装置反应有延时，随时会对设备和人员安全造成影响。所以在对系统通电之前，要求必须先对电动机及用电设备进行漏电检测。先对PLC及附加直流电源进行供电，PLC系统首先将开关X和W闭合，使附加直流电源漏电保护电路进行工作，在开关分闸断电情况下，检测负载侧网络绝缘电阻是否处于整定值及以下，如检测出故障则闭锁开关使其不能合闸送电，如果检测到电机绝缘完好，则断开开关X和W并发送信号，要求系统供电。

图3　增加滤波后的漏电保护电路

当系统通电、电机启动时，PLC系统接收到电机启动信号，经过短暂延时后将供电回路开关X和电压检测电路开关Z闭合，通过传感器采集电压信号并传入PLC进行监测，当电压低于设定值后，断开开关Z，闭合漏电保护装置开关Y，对电机进行漏电保护监测。同时，电路中增加双T带阻滤波电路和低通滤波电路，分别滤除电网和变频器产生的高次谐波，排除高次谐波对采样信号的干扰。