煤矿集中式选择性漏电保护装置的研制

引言

我国煤矿井下的低压电网大部分位于采区,所处工作环境恶劣,也是工作人员和生产设备相对比较集中的地方。煤矿井下的工作环境特殊,发生漏电与人身触电事故的概率远比一般地面作业场所高[1]。煤矿井下环境潮湿,运行中的电气设备及其供电电缆,特别是工作面的电缆被砸、被挤压的概率较大,容易因绝缘损坏而发生漏电现象,造成单相接地、相间短路、电气火灾及其他危害矿井安全的事故。

1煤矿井下配电网架构

煤矿井下的配电网大多采用一台总开关下设多台分开关的供电结构,某台分开关负荷侧线路发生漏电后,必须断开漏电支路开关,切除漏电负荷。当本支路漏电保护出问题发生拒动情况时,必须越级断开总开关电源。目前煤矿井下传统的低压馈电开关的漏电保护和后备保护性能极不稳定,容易出现误动、拒动情况,而后备保护常采用固定延时方式,不能切实保障人身安全。

2集中式选择性漏电保护装置整体架构

集中式选择性漏电保护装置将目前井下各台馈电开关独立的漏电保护集中起来,建立一个集中管理平台,可以更准确地判断故障类型和精确定位故障点,合理地进行选择性漏电保护和后备保护,有效降低因停电造成的损失。

本装置由容性电流补偿装置、零序电流采集模块、零序电压采集模块、后备保护算法、选择性漏电保护算法、液晶显示、声光报警等部分组成。其中,容性电流补偿装置用以补偿漏电电流中的容性电流分量。对于中性点不接地系统,单相接地故障电流的大小主要由电网分布电容决定,因此通过容性电流补偿装置能有效降低漏电电流,避免漏电电流过大引起的安全隐患。零序电流采集模块将各个分支开关的零序电流信号全部采入装置内部,进行集中判断管理。零序电压采集模块通过微型电抗器采集电网零序电压,作为选择性漏电保护的判断依据。后备保护模块不再依靠单纯的时间级差,而是通过集中式综合保护,保证在分开关拒动情况下也能快速断开总开关,保护人员和设备安全。

3零序功率方向原理分析

我国煤矿井下低压电网大多采用中性点绝缘方式,常见低压电网架构如图1所示（为简化起见,分支线路数取3路）。图1中GLVB为总开关,LVB为各分支开关,C、R为各支路等效绝缘电阻和等效对地电容,LHi（i=1,2,3）为零序电流互感器。

当支路1发生单相漏电故障时,设零序电压为Uo,漏电电阻为Rd,1ao/为故障线路的零序电流。由基尔霍夫第一定律可知,3个支路零序电流矢量和为0。当R=c,即线路绝缘电阻无限大时,故障相零序电流为:

在忽略零序电流互感器和零序电压互感器的角误差情况下,非故障线路的零序电流1a'02和1a'03超前于零序电压Ua090o,而故障线路的零序电流1a'0/则滞后于零序电压Ua090o。如果绝缘阻抗R不是无穷大,实际线路中的零序电流便不再超前零序电压90o,至于超前多少,应根据电网的绝缘阻抗和分布电容而定。

因此,可以通过对比各支路零序电流相位关系以及零序电流与零序电压相位关系来区分故障支路与非故障支路,从而实现漏电保护的横向选择,一般称之为零序功率方向保护。

4硬件电路设计

本装置模拟量采集包括零序电流和零序电压,硬件部分将获得的交流电压信号经二阶低通滤波电路和电压跟随器进入AD采样芯片。

（1）为避免一次高压信号引起装置工作异常,需将电压、电流信号经微型PT、CT隔离后送入信号处理电路,电压隔离电路（图2）中元器件参数由输入的电压、电流信号而定。

（2）隔离后的输入信号采用二阶有源滤波方式,滤波后送入采样保持器和AD采样芯片,二阶有源滤波电路及参数选择如图3所示。

5软件流程设计

该装置漏电保护软件流程逻辑如下:

(1）通过直流附加法判断配电网对地绝缘程度,绝缘电阻低于标准值则启动漏电处理程序。

(2）定时采集各个支路零序电流信号,通过集中式零序功率方向原理判断漏电支路,选择漏电支路跳闸:若分开关故障拒动,则启动总开关后备保护跳闸。

(3）若零序功率方向未发现异常支路,则判断故障类型为三相对称性漏电或总分开关间电缆漏电,并进一步区分处理。

6结语

本文介绍了一种基于零序功率方向原理的煤矿用新型集中式选择性漏电保护装置,在分析了煤矿井下低压配电网架构的基础上,着重阐述了该装置漏电保护原理、漏电判断流程和逻辑。该装置能自动区分三相对称性漏电、不同位置的单相接地漏电等不同的接地形式,大大缩短了故障停电时间和停电范围,提高了矿井低压配电网的可靠性和安全性。