矿山低压绝缘监测系统的应用研究

邵长锋

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

当前，在矿山的井下经常由于岩石的碰撞及水的浸渍，电气设备外壳及电缆外皮较易受损，使绝缘水平降低或破坏，导致漏电故障发生，危及人身安全或设备损坏，对有可燃、易爆气体的矿井，还会引起燃烧和爆炸事故。

为了在漏电事故发生后，避免对人身、设备的危害及爆炸事故的发生，有色矿山井下低压配电IT系统均应装设绝缘监视装置，当绝缘下降至整定值时，应由绝缘监视器发出可听、可见信号。在有色矿山行业很长一段时间内，系统发生单相接地故障时只能靠人工逐一断开负载回路来排查故障，不仅耗时费力，还会破坏设备供电的连续性，另外频繁开断开关也可能会引起系统操作过电压，降低开关寿命[1]。

随着国内智能矿山建设的需要，针对有色矿山井下低压供电系统，有必要研究设计出一种集故障定位低压绝缘监测、电量监测、环境监测、远程停送电等功能于一体的多功能低压绝缘监测系统。该系统不仅在设备或电缆发生接地故障时立即报警并定位故障点，保证正常生产和人员安全，而且还可以采集电能信号、变电所环境监测信号以及远程控制低压开关的合分闸，并可将监控信息通过工业以太网接入全矿的综合管控平台，实现整个低压配电系统的远程监控。

1 常用的低压绝缘监测方法

在有色矿山井下低压配电IT系统中，广泛采用在低压配电设备上分散就地安装检漏继电器或其他型式的绝缘监视模块，对供电安全有一定的作用，但是也存在一些不足之处。这些就地安装的检漏继电器或绝缘监视模块通常由低压配电设备厂家配套提供，功能单一，与矿山网络之间缺少统一规划性，相当一部分用户只能在低压配电设备现场查看系统绝缘情况，不利于矿山安全运行。

对于井下低压配电系统的绝缘监测，通常采用如下几种方法：

(1)采用检漏继电器法

检漏继电器常用的有JJKY-30型和JY82型。

JJKY-30型检漏继电器是专门为低压配电设备配套而研制的产品，既可以单独使用，也可以与低压选漏装置配套使用，适用于井下低压配电IT系统，分为1 140 V、660 V、380 V、127 V四个电压等级。

JY82型检漏继电器适用于交流电压至660 V或更高的TN、TT、和IT系统。JY82型检漏继电器通过零序电流互感器检测出超过整定值的零序(剩余)漏电电流。该继电器可与带分励脱扣器或失压脱扣器的断路器、交流接触器、磁力启动器等组成漏电保护装置，作漏电和触电保护之用，可配备蜂鸣器、信号灯等各种声光器件组成漏电报警装置。

(2)采用注入特殊信号法

针对井下低压配电网络的特点，用于井下绝缘监测的注入特殊信号法主要包括：附加直流电源信号注入法、工频检测法及附加低频信号注入法。

附加直流电源信号注入法可以检测出井下电网对地的并联电阻值，但它只能检测电缆对地的绝缘电阻，却不能有效的检测出它们对地的分布电容[2]，因此，此种方法无法反映绝缘的真实情况。

工频检测法是在低压电网中加入与井下电网频率一致的低压交流电压。这种方法的优点是不用附加其它检测电源，即可检测出电网设备的绝缘电阻值和分布电容值。工频法检测方法十分简单，缺点是灵敏度低、检测误差较大[3]。

针对于附加直流电源信号注入法和工频检测法的不足，目前有色矿山井下绝缘监测装置多采用附加低频信号注入法进行电网绝缘电阻检测，该方法可以有效地对井下电网绝缘的状况进行在线监测。

附加低频信号注入法的基本原理是在三相交流电网中附加一个低频电源信号。低频电源经三相电抗器进入电网，再由电网的对地电容、绝缘电阻入地，构成低频电流回路，通过对各低频电流信号进行处理与计算，即可求得各条支路电缆的绝缘电阻情况，从而实现在线监测。对低频信号而言三相电抗器和线路阻抗引入的电抗值极小，与低压电网的绝缘阻抗相比，可以忽略不计[4]。等效电路图如图1所示。

图1 附加低频信号注入法等效电路图

图中任一支路绝缘参数：

(1)

由式(1)得：

(2)

式中U—低频电压值，V；

ω—角频率，rad/s；

θ—相位角，°；

Ii—第i支路的低频电流值，A；

Ri—第i支路的绝缘电阻总值，Ω；

Ci—第i支路的对地电容总值，F。

在每条支路上装置高灵敏度电流互感器，即漏电流采集模块，测量其二次输出的电流信号，将互感器测量的电压、电流信号进行滤波等处理后上传到绝缘监测装置进行计算，即可求得对应支路的对地绝缘参数值，实现各回路的绝缘状况监测。

(3)采用简单的信号指示灯法

在有色矿山除采用检漏继电器法或向电网注入特殊信号法实现低压电网绝缘监测保护外，在实际设计与生产中，也有些矿山采用将霓虹灯接成星形，其中性点接地，置于井下变电所内。如有漏电故障时，值班人员在巡查中即可查出，其接线方式如图2所示。正常时霓虹灯是亮的，如发生漏电时，故障相的霓虹灯即熄灭，可将此信号经变换后引至有人值班的变电所内[5]。

图2 信号指示灯法用于井下漏电监视

2 多功能低压绝缘监测系统

2.1 设计原则

采用矿山融合技术将电网电量监测、环境监测、远程停送电与低压电网绝缘监测深度融合，在技术上实现了各系统之间的相互交叉、相互渗透、信息相互引用、资源相互共享，在设备上实现了各系统之间的共享、最大程度减少了电气设备的种类、统一了技术标准和通讯规约。

2.2 系统构成

本系统可用于1 000 V及以下的所有低压配电IT系统中，主要由监控装置柜体、电源回路模块、漏电流采集模块、绝缘监测模块、故障定位模块、声光报警模块、可编程逻辑控制模块、网络交换机模块，共8个部分组成。根据现场低压配电系统情况及实际需求，可灵活配置，系统结构框图如图3所示。

1.绝缘监测模块 2.故障定位模块 3.声光报警模块 4.可编程逻辑控制模块 5.网络交换机 6.电源回路模块 7.漏电流采集模块 8.低压开关 9.低压用电设备

系统各构成部分情况如下：

(1)监控装置柜体采用敷铝锌钢板制成，柜体前后均设有门，门缝接口处均采用凹槽结构，并采用密封条进行防水密封。柜体进出线均采用格兰头密封，顶部有盖板，防止异物、水滴进入柜内。柜体外壳防护等级达到防尘、防溅水的IP54等级。

(2)电源回路模块主要为监测系统提供低压交流控制电源，由低压开关、熔断器等组成。

(3)绝缘监测模块采用附加低频信号注入法，能够监测电网的绝缘电阻值、电容值、漏电流值，并输出故障信号及报警信号。

(4)漏电流采集模块用于采集电网对地漏电流，和故障定位模块一起用于电网绝缘的监测、定位和测量。该模块安装在低压配电设备内的配电回路电缆上，一个漏电流采集模块对应一条配电回路电缆。

(5)故障定位模块接收漏电流采集模块传来的数据，并与绝缘监测模块协同工作，将漏电流采集模块传输的数据与预先设定阈值进行比较，可以识别故障回路。一个故障定位模块可以监测多个漏电流采集模块。

(6)声光报警模块包含LED警示灯、智能语音模块、消音装置三部分。当发生故障时，LED警示灯间断闪烁，智能语音模块自动播报故障信息，并提示维护人员检查设备。消音模块用于维护人员到达现场后，按下消音按钮，语音模块停止播报。

(7)可编程逻辑控制模块包含电源模块、CPU模块、信号模块以及通讯处理器。该模块与绝缘监测模块、故障定位模块采用现场总线通讯，将电网绝缘状态、工作电源状态、绝缘监测模块状态、故障定位模块状态、绝缘电阻值等通过工业以太网或现场总线传输到智能矿山综合管控平台。可编程逻辑控制模块还可以根据需求，与多功能电表采用MODBUS或PROFIBUS协议进行通讯，采集低压电量消耗数据、低压配电设备开关的状态以及实现对低压配电开关远程控制。

可编程逻辑控制模块典型特性如下：

(1)与智能矿山综合管控平台通讯，接收智能矿山综合管控平台指令；

(2)具有运行状态识别、故障多重保护功能，具有自检功能等；

(3)向智能矿山综合管控平台发送实时运行信息；

(4)通过现场总线与绝缘监测模块、故障定位模块、多功能电表等通讯，监测各种电量和非电量参数以及设备状态；

(5)数据采集、处理和系统诊断；

(6)支持工业以太网、现场总线、RS485总线等多种通信方式。

2.3 系统特点

本系统采用模块化设计，可以实时监测低压电网绝缘变化，方便维护人员根据监测值对电网进行预维护，一旦系统发生绝缘故障，将发出绝缘告警，同时可以准确定位出故障线路。该系统不仅能实现低压配电的绝缘监测及定位功能，还可以实现电网电量监测、环境监测、远程停送电控制。

系统配置灵活，支持多种通讯方式与协议，实现了有色矿山低压配电系统绝缘监测的智能化、数字化、网络化，可提高低压配电系统的安全性、可靠性、可控性，降低系统运维成本。

3 结语

本文提供了有色矿山低压绝缘监测系统一种新的设计思路，通过现代计算机技术、电力电子技术、网络通信及融合控制技术，实现了电网绝缘监测、电量监测、环境监测、远程停送电等多种监控系统的融合，实现了矿山多网合一，简化了系统结构，节省了工程投资，可大幅度提高低压配电系统运行的可靠性。该系统既可独立运行，又具备多种通讯协议，为融入智能矿山综合管控平台提供了技术支撑。