煤礦集中式選擇性漏電保護(hù)裝置的研制

引言

我國煤礦井下的低壓電網(wǎng)大部分位于采區(qū),所處工作環(huán)境惡劣,也是工作人員和生產(chǎn)設(shè)備相對比較集中的地方。煤礦井下的工作環(huán)境特殊,發(fā)生漏電與人身觸電事故的概率遠(yuǎn)比一般地面作業(yè)場所高[1]。煤礦井下環(huán)境潮濕,運(yùn)行中的電氣設(shè)備及其供電電纜,特別是工作面的電纜被砸、被擠壓的概率較大,容易因絕緣損壞而發(fā)生漏電現(xiàn)象,造成單相接地、相間短路、電氣火災(zāi)及其他危害礦井安全的事故。

1煤礦井下配電網(wǎng)架構(gòu)

煤礦井下的配電網(wǎng)大多采用一臺總開關(guān)下設(shè)多臺分開關(guān)的供電結(jié)構(gòu),某臺分開關(guān)負(fù)荷側(cè)線路發(fā)生漏電后,必須斷開漏電支路開關(guān),切除漏電負(fù)荷。當(dāng)本支路漏電保護(hù)出問題發(fā)生拒動情況時,必須越級斷開總開關(guān)電源。目前煤礦井下傳統(tǒng)的低壓饋電開關(guān)的漏電保護(hù)和后備保護(hù)性能極不穩(wěn)定,容易出現(xiàn)誤動、拒動情況,而后備保護(hù)常采用固定延時方式,不能切實(shí)保障人身安全。

2集中式選擇性漏電保護(hù)裝置整體架構(gòu)

集中式選擇性漏電保護(hù)裝置將目前井下各臺饋電開關(guān)獨(dú)立的漏電保護(hù)集中起來,建立一個集中管理平臺,可以更準(zhǔn)確地判斷故障類型和精確定位故障點(diǎn),合理地進(jìn)行選擇性漏電保護(hù)和后備保護(hù),有效降低因停電造成的損失。

本裝置由容性電流補(bǔ)償裝置、零序電流采集模塊、零序電壓采集模塊、后備保護(hù)算法、選擇性漏電保護(hù)算法、液晶顯示、聲光報警等部分組成。其中,容性電流補(bǔ)償裝置用以補(bǔ)償漏電電流中的容性電流分量。對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),單相接地故障電流的大小主要由電網(wǎng)分布電容決定,因此通過容性電流補(bǔ)償裝置能有效降低漏電電流,避免漏電電流過大引起的安全隱患。零序電流采集模塊將各個分支開關(guān)的零序電流信號全部采入裝置內(nèi)部,進(jìn)行集中判斷管理。零序電壓采集模塊通過微型電抗器采集電網(wǎng)零序電壓,作為選擇性漏電保護(hù)的判斷依據(jù)。后備保護(hù)模塊不再依靠單純的時間級差,而是通過集中式綜合保護(hù),保證在分開關(guān)拒動情況下也能快速斷開總開關(guān),保護(hù)人員和設(shè)備安全。

3零序功率方向原理分析

我國煤礦井下低壓電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)絕緣方式,常見低壓電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示（為簡化起見,分支線路數(shù)取3路）。圖1中GLVB為總開關(guān),LVB為各分支開關(guān),C、R為各支路等效絕緣電阻和等效對地電容,LHi（i=1,2,3）為零序電流互感器。

當(dāng)支路1發(fā)生單相漏電故障時,設(shè)零序電壓為Uo,漏電電阻為Rd,1ao/為故障線路的零序電流。由基爾霍夫第一定律可知,3個支路零序電流矢量和為0。當(dāng)R=c,即線路絕緣電阻無限大時,故障相零序電流為:

在忽略零序電流互感器和零序電壓互感器的角誤差情況下,非故障線路的零序電流1a'02和1a'03超前于零序電壓Ua090o,而故障線路的零序電流1a'0/則滯后于零序電壓Ua090o。如果絕緣阻抗R不是無窮大,實(shí)際線路中的零序電流便不再超前零序電壓90o,至于超前多少,應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的絕緣阻抗和分布電容而定。

因此,可以通過對比各支路零序電流相位關(guān)系以及零序電流與零序電壓相位關(guān)系來區(qū)分故障支路與非故障支路,從而實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的橫向選擇,一般稱之為零序功率方向保護(hù)。

4硬件電路設(shè)計(jì)

本裝置模擬量采集包括零序電流和零序電壓,硬件部分將獲得的交流電壓信號經(jīng)二階低通濾波電路和電壓跟隨器進(jìn)入AD采樣芯片。

（1）為避免一次高壓信號引起裝置工作異常,需將電壓、電流信號經(jīng)微型PT、CT隔離后送入信號處理電路,電壓隔離電路（圖2）中元器件參數(shù)由輸入的電壓、電流信號而定。

（2）隔離后的輸入信號采用二階有源濾波方式,濾波后送入采樣保持器和AD采樣芯片,二階有源濾波電路及參數(shù)選擇如圖3所示。

5軟件流程設(shè)計(jì)

該裝置漏電保護(hù)軟件流程邏輯如下:

(1）通過直流附加法判斷配電網(wǎng)對地絕緣程度,絕緣電阻低于標(biāo)準(zhǔn)值則啟動漏電處理程序。

(2）定時采集各個支路零序電流信號,通過集中式零序功率方向原理判斷漏電支路,選擇漏電支路跳閘:若分開關(guān)故障拒動,則啟動總開關(guān)后備保護(hù)跳閘。

(3）若零序功率方向未發(fā)現(xiàn)異常支路,則判斷故障類型為三相對稱性漏電或總分開關(guān)間電纜漏電,并進(jìn)一步區(qū)分處理。

6結(jié)語

本文介紹了一種基于零序功率方向原理的煤礦用新型集中式選擇性漏電保護(hù)裝置,在分析了煤礦井下低壓配電網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,著重闡述了該裝置漏電保護(hù)原理、漏電判斷流程和邏輯。該裝置能自動區(qū)分三相對稱性漏電、不同位置的單相接地漏電等不同的接地形式,大大縮短了故障停電時間和停電范圍,提高了礦井低壓配電網(wǎng)的可靠性和安全性。