基于复合信号注入法的煤矿低压漏电保护

李婧帆

（潞安集团古城煤矿建设管理处，山西 长治 046108）

0 引言

煤矿供电系统漏电保护属于煤矿安全生产的重要保护之一，对矿井设备的稳定运行以及人员生命安全起着至关重要的作用[1]。煤矿井下低压供电系统为中性点不接地系统，系统故障绝大多数为单相漏电故障，该故障虽然不会破坏系统的对称运行，但极易发生两相短路，在井下高瓦斯、通风条件差等恶略条件下，极易对人身安全和矿井安全生产造成威胁[1,2]。我国《煤矿安全规程》明确规定：煤矿井下低压馈电线上必须装设检漏保护装置或者有选择性的漏电保护装置，保证自动切断漏电的馈电线路[3]。矿井低压供电系统漏电保护主要以选择性漏电保护为主，即电流通过供电线路产生的零序电流进行选择性跳闸和开关闭锁。然而，低压线路的局限性造成零序电流的监测和线路选择性漏电保护实施比较困难，容易出现漏电保护的选择性错误，对低压系统的正常运行造成影响。

1 煤矿低压漏电保护选择性失效原因

低压漏电保护选择性不好的根本原因在于低压供电系统太小，电缆截面积较小，线路较短，分布电容比较小[1,4]。因此对分开关线路总长较短的低压系统，发生单相接地时，产生零序电流特别小，无法定量进行分析，造成选线失灵（现场已经试验数据证明：线路特别短的分开关在按下分开漏电试验按钮时产生的零序电流有的不超过8个毫安，这对于低压漏电保护来说，信号太弱，零序电流信号容易发生畸变）。低压开关附带的负载大部分是电机等感性负载，在系统发生漏电时，电缆对地分布电容产生的容性电流受系统感性负载的影响。当感性负载产生的电流大于容性电流时，低压开关的保护器监测到的漏电电流实际是感性电流，其方向正好与容性电流方向相反。当容性电流大于感性电流时，低压开关的保护器监测到的漏电电流实际是容性电流，而且容性电流大小与系统的对地分布电容有关，当系统容性电流接近感性电流时，低压开关的保护器监测的零序电流很小，导致功率方向型漏电保护失效（可能误动或者拒动）。

2 复合信号注入法的基本原理

与高压漏电保护相比，低压漏电有更加有利的条件：①低压没有消弧线圈，一般都是不接地系统，接地线路与非接地线路可通过零序电流方向判定，接地线路产生的零序电流方向是由线路流向母线，非接地线路产生的零序电流方向是由母线流向线路，可以通过零序电流的方向来区分故障线路和非故障线路（分开漏电采用功率方向型漏电保护）。②低压系统仅限制在移变后面的电网，系统简单，总开关与分开关具有一定的上下级关系，对于漏电电流而言，总开关与分路开关之间存在时限配合，容易分析实现低压漏电的选择性，不会发生误动现象。基于低压漏电保护选择性失效原因，以及与高压漏电保护对比存在的优越性，本文提出了采用复合信号注入法的低压漏电保护系统。该系统考虑了低压供电系统漏电的所有可能性，即总开线路漏电和分开线路漏电，在总开关内部设定低压保护器对整个低压系统进行漏电保护控制，保证了设备的正常运行，避免了越级跳闸现象的发生，并且遵循《煤矿安全规程》规定设定了线路漏电的选择性保护，复合信号注入顾名思义采用附加直流信号和附加交流信号对低压系统进行综合漏电保护，基本思想是将附加直流电源漏电保护法与附加交流信号选择性漏电保护方法进行融合，实现煤矿低压供电系统的总开关与分开线路的漏电保护。对于低压供电系统来说，中性点一般不接地，三相对地的绝缘电阻值比较容易监测，如果在电网开关合闸后对电网附加直流信号，该信号通过三相对地产生的电流大小直接反应了绝缘电阻值的大小，通过判断电阻值是否小于动作值来实现漏电保护。非接地线路的零序电流方向是由母线流向线路，这样就可以实现对线路漏电的选择性检测，为了提高选择性漏电保护的准确性，对低压系统的分开关附加交流信号，如果线路未发生漏电接地现象，线路三相电压对称，三相电流矢量和为0，而线路存在接地现象，线路三相电路会形成零序电流和零序电压，分别监测三相的功率方向是否在工作区，以此达到对分开线路选择性检测的目的。

3 复合信号注入法低压漏电保护

复合信号法低压漏电保护系统构建，见图1和图2，复合信号由总开关内部注入，实现对整个线路的漏电保护和检测。系统主要由矿用低压保护器、交流信号发生器、信号注入控制部件和附加直流绝缘检测回路组成，其中附加直流绝缘检测回路设置在总开关三相线路上，矿用低压保护器对整个漏电系统进行控制并且发出启动信号命令。总开关采用附加直流，实现合闸前的漏电闭锁和运行中带延时的漏电保护。总开关内设置低压综保启动低压信号注入装置，分开关采用注入装置注入的交流信号，实现合闸前的漏电闭锁和可靠的选择性漏电保护。总开关对整个系统进行整体监测调控，分开关接收总开关信号进行分线路的开关闭锁，其中总开关内部的低压保护器对整个供电系统进行命令输出，避免了上下级漏电保护同时运行发生的越级跳闸现象，对设备造成损伤。

具体实施如下：

1）采用复合信号注入法的低压漏电保护，在总开关合闸前可以实现系统的漏电闭锁，在总开关合闸后注入附加直流电源对系统进行绝缘监测，附加直流信号通过三相对地绝缘电阻的电流大小，直接反应了绝缘电阻的高低，如果绝缘电阻的监测结果低于动作值，系统将会停止供电，实现漏电保护。

2）当分开线路发生漏电事件，会造成线路三相对称电压发生变化，产生零序电压和零序电流，当总开中的低压保护器检测到零序电压超限时，保护器向交流信号发生器发出启动信号，向供电系统中注入附加交流信号。

3）低压保护器对分开线路注入的交流信号进行分开监测，保护器对反馈信号进行阈值选择，发生漏电的线路产生的零序电压和零序电流的功率方向会被保护器分配到动作区，而非故障线路的零序电压和零序电流的功率方向角在非动作区。

4）通过阈值选择，对动作区故障线路发出漏电保护动作，发出跳闸命令，切除故障，而在飞动作区非故障线路，系统不作出反映。

5）在整个过程中，总开对整个线路实施全程监测，待系统零序电压消失后，矿用低压保护器向交流信号发生器发出切除交流信号命令，切除总开交流信号注入，系统供电恢复正常。

图1 复合信号注入法系统构建

图2 总开关内部示意图

4 结 论

基于复合信号注入法的煤矿低压漏电保护，实现了低压供电系统的分开漏电保护，即总开关附加直流漏电保护和分开附加交流漏电保护。对于煤矿低压系统非接地线路来说，向系统注入附加交流信号，通过判断线路产生的零序电流和零序功率方向对故障线路和非故障线路进行区分，提高了漏电选择性保护的准确度，而低压供电系统结构的简单，也提高了低压漏电选择性的分析水平。除此之外，整个漏电保护系统由总开关内的低压保护器为控制中心，避免了上下级保护同时启动发生的越级跳闸现象，维护了整个低压系统的稳定性。