选择性漏电保护在矿用低压馈电系统中的应用

乔利芳

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)



·技术经验·

选择性漏电保护在矿用低压馈电系统中的应用

乔利芳

(西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

针对煤矿低压供电系统常见的漏电故障，分析了煤矿三级馈电系统结构，对发生漏电故障时线路中零序电流的产生机理、测量方法和漏电支路选判依据等问题进行了研究，为选择性漏电防护技术的实施提供了理论依据，在此基础上，提出了选择性漏电系统的硬件和软件设计方案。本文研究内容可为煤矿选择性漏电保护系统的应用提供重要参考。

煤矿；低压供电；选择性漏电保护；零序电流

随着我国煤炭产量和生产能力的不断提高，安全生产对煤炭企业的重要性愈加明显。井下低压电缆漏电事故的发生率较高，是影响用电安全生产的重要因素。虽然井下电缆都采用了可靠性和安全性较好的绝缘防护，但由于工况环境恶劣，存在腐蚀性介质，且湿度大、机械损伤概率大，因此井下输电网中的漏电故障频发。一方面，漏电故障若无法及时排除，其影响可能进一步蔓延，造成供电系统瘫痪，严重影响煤炭生产；另一方面，漏电位置产生的电弧可能引起瓦斯或粉尘爆炸，对井下操作人员和生产设备的安全性造成严重威胁[1-3]. 因此，对于煤矿井下低压电缆的漏电事故，应及时处理。

一般地，漏电保护分为非选择性保护和选择性保护两种，为避免一处漏电事故导致的整体电网断电，一般采用选择性漏电保护，即在保证漏电支路及时断电的同时，其它非故障支路可正常供电，由此不仅减小了停电损失，也缩小了漏电故障的排除范围。因此，开发出可靠性更高、更易实现、成本更低的选择性漏电防护技术已成为漏电防护的主要发展方向，也是本文的研究重点。

1 馈电网络基本结构

为防止井下发生人身触电事故，我国煤矿低压电网多采用中性点不接地的接线模式。同时，井下三级馈电控制网络是选择性漏电保护的基础，见图1，T为变电设备，Q1为总线路馈电开关，Q2为支路馈电开关，Q3为磁力启动器，选择性漏电保护设备一般安装在Q1和Q2两个位置。Q3磁力启动器上设置漏电闭锁功能，即二级选择性漏电保护。上下级纵向的漏电选择，一般通过动作延时来实现；而同级横向线路的漏电选择，可采用零序电流、零序电压判断等来实现。

图1 井下三级馈电网络结构图

2 选择性漏电保护原理

2.1 零序电流测量方法

对于发生接地故障时产生的漏电电流，其大小与线路的分布参数相关。线路分布参数越大，接地位置漏电电流越小。事实证明，通过单纯增大线路的绝缘能力来降低漏电电流的局限性较大，在实际使用中效果并不理想。对于小电流接地系统，为防止产生漏电电弧，一般在线路中添加消弧线圈。一但发生相线接地，则由消弧线圈产生的感性无功电流和流过系统各电容中的容性无功电流的相位恰好反向，两反相电流叠加的结果减小了故障点的实际电流值，从而极大提高了供电网络的安全性[4-5].

对以上配置了消弧线圈的供电系统进行改造，将各条线路的起始端的消弧线圈改为三相平衡电抗器SK，然后电抗器末端中性点添加补偿线圈LK，最终和大地连接，见图2. 此外，还需要在三相平衡电抗器的前后线路上各添加1处零序电流互感器LH1和LH2，以测量电抗器前后的零序电流值。

图2 零序电流测量图

2.2 漏电故障下的线路零序电流

为简化分析，假设煤矿井下低压供电系统包含L1、L2、L3三条支路，各支路上的电容、电抗和电流互感器的配置与2.1所述相同，见图3.

图3 接地故障时井下供电网中的互感电流图

各零序电流在接地位置交汇后经过电阻r流入三相电网，所以流经电阻r的电流值为：

由上可知，对于中性点不接地的井下低压供电系统，当其中一根支路发生漏电故障时，其余支路都会产生相应的零序电流，并且流经三相电抗器前后的零序电流值出现较大差异，各线路中位于电抗器之前的电流互感器中的零序电流为：

各线路中位于电抗器之后的电流互感器中的零序电流为：

2.3 基于零序电流对比的漏电线路判断依据

实际上，上述补偿线圈LK即为消弧线圈，其作用是通过LK产生的感性无功电流与线路中的容性无功电流进行反向叠加，从而有效减小漏电电流值，提高电网安全度。由此，补偿线圈的补偿方式可分为欠补偿、全补偿和过补偿3种。其中，欠补偿是指感性无功电流的数值小于容性无功电流，使补偿后总电流依然为容性状态；过补偿则相反；全补偿方式容易导致线路中产生谐振，因此较少使用。

本文所研究选择性漏电保护系统选用欠补偿方式，结合之前对故障网络中零序电流分布特点可知，流经故障支路和正常支路中的电流互感器前后的电流大小存在以下关系：

故障支路L1：IH1a>IH1b

正常支路L2：IH2a

正常支路L3：IH3a

因此，通过比较前后位置电流互感器中电流值的大小，即可作为正常支路和故障支路的判断依据。

3 选择性漏电保护硬件设计

选择性漏电保护作为煤矿井下低压电网馈电系统的一部分，要求其动作及时、可靠，由于在线数据处理量较大，因此一般选用DSP系统作为漏电故障处理的核心。漏电保护工作中的DSP系统一般包括电信号输入调理模块、数据计算模块和继电器输出模块3部分。其中，第一部分的主要功能是将零序电流互感器和零序电压互感器输出的信号进行调制和滤波等，产生DSP计算模块可识别的电压信号。而第二部分计算模块，则是以PLC芯片为核心的数值处理单元，可将相应的输入信号进行处理和计算，并依据预设条件进行逻辑判断，然后将判断和处理结果以声光或文字形式进行输出，以备决策和故障处理，同时向故障电路的继电器发出动作指令，完成故障电路断电操作，见图4.

图4 选择性漏电保护硬件设计图

4 选择性漏电保护软件设计

对于选用DSP系统的漏电保护软件，其程序部分主要包括初始化设定、计时和通信中断设定，以及数据处理和指令发送等。其中，对DSP芯片正确的初始化设定是其发挥正常数据处理功能的前提；计时设定则与零序电流信号的采样频率相关，通信中断程序负责控制系统与状态显示器之间的通信；数据处理程序主要是对输入的电压模拟量进行模数转换，然后进行数字运算和判断，最后判断是否触发继电器动作发送指令，选择性漏电保护软件的主要程序流程图见图5.

图5 选择性漏电保护软件程序流程图

5 结 论

对于煤矿低压供电系统常见的漏电故障，为提高漏电防护的可靠性和及时性等问题，本文首先分析了煤矿三级馈电系统结构，然后对发生漏电故障时线路中零序电流的产生机理、测量方法和漏电支路选判依据等问题进行了研究，为选择性漏电防护技术的实施提供了理论依据，在此基础上，提出了选择性漏电系统的硬件和软件设计方案。本文研究内容可为煤矿选择性漏电保护系统的应用提供重要参考。

[1] 周云龙.井下供电系统与漏电保护系统的探究分析[J].煤炭技术,2014,33(2):212-214.

[2] 张 强.矿用低压选择性漏电保护装置的研制[D].辽宁工程技术大学,2012.

[3] 靳造造.煤矿井下低压电网选择性漏电保护研究[J].中国煤炭工业,2012(5):58-59

[4] 李美璐.煤矿井下选择性漏电保护系统研究[J].山西煤炭管理干部学院学报,2016,29(4):53-54.

[5] 樊 烨.基于选择性漏电保护原理的防越级跳闸研究[J].煤,2016,25(9):75-77.

Application of Selective Electricity Leaking Protection in Coal Mine Low-voltage Power Distribution System

QIAO Lifang

Aiming at the common seen electricity leakage in coal mine low-voltage power supply system, the structure of three-level power supply system is analyzed, and the mechanism of zero-sequence Current, the measurement method and the selection of leakage circuit branch are studied, which provides a theoretical basis for the implementation of selective electricity leakage protection technology. On the above mentioned basis, the hardware and software design scheme of selective electricity leakage protection system is put forward. The research is of important reference value for the application of selective electricity leakage protection system in coal industry.

Coal mine; Low voltage power supply; Selective electricity leakage protection; Zero sequence current

2017-03-03

乔利芳(1990—)，男，山西临县人，2014年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事矿井电工工作

(E-mail)592652621@qq.com

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1672-0652(2017)05-0043-04