适合于煤矿井下应用的全面漏电保护方案分析

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  【摘要】煤矿矿井的作业空间相对狭小,同时工作场所的湿度大、环境差、温度高、施工条件受限。尽管在煤矿井下采用了中性点不接地三相电网,同时使用屏蔽电缆、装设了保护接地、加装了必要的闭锁设施以及合理的电压等级来防止漏电的发生,但是依然不可避免的发生井下供电漏电现象。漏电现象的发生不仅可能引发人身触电,更严重的可能引发瓦斯爆炸以及火灾煤尘等更为恶劣的后果。文章从矿井漏电保护概述以及漏电保护装置的原理分析入手,重点论述了煤矿井下应用的全面漏电保护方案以及低压漏电保护存在问题及完善措施。
  【关键词】煤矿;井下;全面漏电保护
  由于矿井电网一般采用电缆供电,但是由于工作环境恶劣,为此不可避免的发生单相漏电以及单相接地故障,从而引发人员伤亡或者是有毒有害气体爆炸。在《煤矿安全规程》的第457条规定中规定:井下低压馈电线上必须装设带有漏电闭锁的检漏保护装置或有选择性的检漏保护装置,如果无此种装置必须装设自动切断漏电馈电线的检漏装置。为此基于漏电保护原理提出了一种全面漏电保护方案,从而实现了系统的安全可靠。
  1、矿井漏电保护概述
  (1)矿井漏电故障种类。根据煤矿矿井电网实际情况的不同可以将漏电故障分为分散性以及集中性漏电。其中分散性漏电指的是在整条线路或者是整个线路电网的对地绝缘电阻均小于允许水平,而集中性漏电指的是漏电仅发生于某一点或者是某处,而其他位置的对地绝缘水平保持正常。
  (2)漏电故障原因。导致漏电故障的原因很多,但是大致可以分为以下几大类:井下电缆因故障短路导致局部对地绝缘损坏;运行中电气设备由于绝缘受潮或者是进水导致相与地之间的绝缘下降;电气设备中的相线绝缘老化或者是接头脱落而导致火线接触金属外壳;电缆受到机械或者吉他压力、过度弯曲、挤压等导致裂口,加之受潮而引发漏电故障。
  (3)漏电危害。矿井漏电故障的发生可能导致人身触电、引发瓦斯以及煤尘爆炸、设备电气短路火灾等。
  (4)漏电保护设备的安装。在设备安装之前要进行相应的检查与试验:核对内部安装接线是否正确、额定电压是否与电网电压一致、原件是否损坏;检查设备的防爆性能;测定直流电源的电压值、动作时间以及动作电阻;进行耐压试验;结合自动馈电开关或者是电磁起动器继续拧漏电保护跳闸以及闭锁试验;如果检漏继电器具有电容电流补偿要进行模拟实验。此外在下井安装时也要进行如下的检查:跳闸线圈的活动是否灵活、线圈的绝缘电阻值、拉力弹簧是否调整好、中间跳闸转轴是否灵活以及馈电开关操作机构是否卡住等。
  (5)设备运行维护。对于矿井漏电保护设备要每天、每月进行定期检查。每天的检查内容包括:检查欧姆表所指示的绝缘电阻值、是否安放平稳、有无淋水现象、周围是否清洁干燥、接地极是否安设良好、进一步检查检漏继电器的防爆性能、实施跳闸试验。不同的设备实施跳闸试验方法不同,分断电跳闸试验或不断电跳闸试验,在现有一些开关上设有历史检阅记录。每月的检查内容包括:导线是否破损、受潮;内部元件、指示灯以及熔断器是否损坏;闭锁装置以及执行继电器是否灵活;检查检漏继电器的隔爆性能;检查零序电抗器是否达到最佳状态。
  2、漏电保护装置原理分析
  我国使用的漏电保护装置共有以下几种类型:旁路接地式漏电保护、零序功率方向式漏电保护、零序电流式漏电保护、零序电压式漏电保护、无附加电源直流检测式漏电保护以及附加电源直流检测式漏电保护。漏电保护作为煤矿矿井安全供电的三大保护之一,不仅要对供电电缆以及负荷的绝缘水平进行检测,同时也要检测对地绝缘电阻,在电阻下降到一定程度是闭锁合闸回路,从而防止负荷投入运行。
  2.1旁路接地式漏电保护
  在旁路接地式漏电保护中,如果发生了单相触电。此时经过检测选相器的确认就可以输出动作指令,从而强迫故障相旁路接地,并利用专门设置的接地极电阻分流,从而有效地降低漏电点的电流。这种漏电保护方案具有很高的安全性,为此可以有效地减弱断电后发动机返电势以及电网电容储能。但是其不足也很明显,表现出保护范围单纯以及电路较为复杂的缺点。
  2.2零序功率方向式漏电保护
  这一保护方案由零流取样、零压取样、放大整形、相位比较以及执行电路构成。当电网出现非对称性漏电时,此时取样电路就会从电路中取出零序电压以及零序电流的信号,然后经过放大后,经由相位比较来判定故障支路,并最终启动执行电路来切断支路的电源,从而实现有选择性的漏电保护。这种漏电保护方法具有很强的横向选择性,但是由于动作电阻值固定不变,为此具有不能保护对称性漏电以及不能补偿电容电流等缺点。
  2.3零序电流式漏电保护
  零序电流式漏电保护主要针对于电网非对称性漏电,当漏电发生时电网产生的零序电压及零序电流会通过零序电流互感器驱动继电器,从而实现漏电保护。这种漏电保护方式可以有效地实现放射式电网横向选择性漏电保护,也可以适用于中性点接地及不接地系统中。但是其缺陷在于动作电阻固定不变,从而对于对称性漏电没有保护作用,同时也不能补偿电容电流。
  2.4零序电压式漏电保护
  当电网出现非对称性的漏电情况后就会导致三相对地电压的不平衡,从而导致零序电压的出现。然后出现的零序电压经由电压互感器的二次侧开口的三角形取出,并通过取出电压值的大小反应对地绝缘程度。如果取出的绝缘电压超过一定数值就会促使执行回路发生动作,从而导致馈电开关发生跳闸,以此实现漏电保护。
  这种漏电保护方案可以对电网漏电过程中的零序电压进行有效检测,可谓是一种行之有效的漏电保护措施。但是这种漏电保护方式缺乏漏电保护选择性,从而不能对对称性漏电故障予以保护,加之动作电阻不固定,为此仅能适用于变压器中性点非直接接地的电网中。
  2.5无附加电源直流检测式漏电保护
  这种漏电保护方法借助于3个整流管构成了漏电保护装置,在保护电路中将3个整流管分别连接到电网的三相,而将另一端星形连接后经电阻接地。由于整个电网中的中性点不接地,为此3个整流管的直流电流需要经过电阻R以及大地和电网的对地绝缘电阻才能返回电源。为此返回电流的大小可以直接的反应电网的对地绝缘状况,从而只需要检测直流大小就可以实现漏电保护。   无附加电源直流检测式漏电保护欲附加电源直流检测式漏电保护的原理一致,不仅漏电保护结构简单,同时较高的直流电压可以如实的反应电网的绝缘水平。但是不可忽视的是这种保护方式没有选择性,同时漏电保护值会很大程度上受到电源电压波动的影响。
  2.6附加电源直流检测式漏电保护
  在这一漏断保护方案中涉及到了三相变抗器、KD继电器以及零序电抗器,并且其电阻为定值,但是电网的对地绝缘电阻值为可变值。如果实际使用中直流KD继电器中的电流值随着电网对地绝缘电阻变化,并且当绝缘电阻下降到一定程度就会导致直流KD继电器动作,此时常开接点接通自动馈电开关的分励脱扣线圈,从而实现馈电开关跳闸,实现漏电保护。
  这种漏电保护方式较之其它保护方式具有保护全面、没有动作死区,同时对于整个供电单元也具有电容电流补偿的效果。但是这种漏电保护方式依然不具有选择性以及电容电流补偿静态性,同时其漏电保护动作较慢。
  2.7新型漏电保护系统
  借助于数字信号处理器(DSP)可以有效地缩短保护的动作时间,从而提升了数据处理能力。数字信号处理器主要由DSP运算处理、CT/PT信号调理板、母板以及继电器输出板组成。输入的信号经过以上及部分的处理得到输出信号。
  CT/PT信号调理板。这一部分主要负责将输入的零序电压滤序器以及零序电流互感器输出的信号转换为电压或者电流信号转换为可以被DSP直接处理的信号,同时可以对信号进行适当的放大、调理、滤波等处理。
  DSP运算处理板。这一处理模块主要由TMS320F206DSP芯片构成,这一处理板接受电网中的被监测支路的零序电压以及零序电流,同时对信号进行适当的放大与转换后送达DSP芯片中,此时智能化的DSP芯片就可以对接收到的信号进行相应的处理及运算,从而对操作进行判断,最后将判断结果显示在显示面板,从而实现了人机对话,极大地方便了技术人员对故障的查找。
  母板:母板主要提供多种接口,例如DSP运算处理器、CT/PT信号调理板、电源板、继电器输出板以及面板电源、通信接口等。
  人机交换系统:这一系统主要由按键、显示屏、运行状态灯等组成,其核心为单片机,借助于C语言编制显示程序。这一系统可以实时的显示每一块DSP板中的零序电压及电流,如果发现某条支路发生故障,液晶屏就会显示某支路漏电保护动作,同时故障灯与保护等点亮直到故障消除。
  这一系统软件主要分为三大部分:初始化程序、中断程序以及数据处理程序。其中初始化程序是保证DSP芯片正确运行的关键,中断程序负责控制转换器的采样速度以及DSP与数据显示板之间的通讯。而数据处理程序主要是借助于A/D转换器对采集到的数据进行判断,控制继电器动作。
  总之,基于DSP的新型煤矿井下电网选择性漏电保护装置不仅有效地改善了原有保护装置的性能,同时也保证了电网纵向漏电保护以及选择性漏电保护。由于这一漏电保护方案具有良好的人机界面,方便了技术人员对故障的判断以及故障的排除。实际运行表明这一系统具有较高的可靠性,有效地保证了矿井下作业人身的触电安全问题。
  3、井下低压漏电保护存在问题及完善措施
  3.1井下低压漏电保护普遍存在的问题
  目前多数的矿井中普遍采用检漏继电器与漏电保护单位构成的漏电保护系统。但是由于零序电压与漏电电阻、电网电压、系统容抗有很大关系,为此会在系统电压以及系统电容的影响下导致动作时间误差。有时即便已经调整好了分馈与总馈的关系,但是随着电缆长度的延长,系统的电容不断变化,从而当支路发生漏电后并未引发分路开关动作以及总开关以及误动的现象。在实行分级保护的低压电网中,要求一级保护器的额定动作时间要小于上一级保护器的极限不动时间。而对于下级保护要求动作时间最快,从而尽快的切出故障;对于上一级的保护要进行一定的延时,从而躲过下级保护在动作过程所需要的时间。
  3.2提升低压供电保护准确性的措施
  动作时间作为漏电保护的重要指标,一般要求分支馈电的漏电保护动作时间要控制在50ms内,总馈线的漏电动作时间设为250ms,从而保证选择性漏电的需要。对于系统电容的变化要及时的进行修正,尤其是对于零序电压法检测漏电支路的方式中要适当的系统电容修正,从而减小电容变化对于零序电压的影响。
  同时当总馈电下面的分路馈电大于10台是会导致分路开关动作迟缓,从而导致大规模的停电。同时在单母线分段供电的情况下,如果其中一台进线开关出现故障会导致运行开关的附加电流在故障开关叠加,促使所测得的漏电电阻增加以及设备拒动。为此可以分别在两台进线开关后增加一台分段开关,从而即使一台进线开关停止,负荷侧的开关也会分段,从而保障了选择性漏电的可靠性。此外为了保护线路安全还要配合采用接地、结零保护措施,从而保证人身安全。
  4、矿井漏电综合保护方案
  鉴于以上单一的漏电保护方案各有利弊,为此需要集中不同漏电保护方案的优势,从而形成一个综合性的漏电保护方案。漏电保护的基本要求包括可靠性、安全性、灵敏性以及选择性。其中可靠性指的是漏电保护装置自身具有一定的可靠性,在保护单元内发生漏电现象时不能拒动或者是在保护单元内发生故障时不能误动;安全性指的是漏电保护从最严重的人身触电事故发生到切除之间的时间与最小电流的乘积要满足一定条件。对于单相接地等故障要保证发生间歇性漏电或者切断电源时接地点的楼电火花小于0.28MJ;灵敏性指的是漏电保护电路对于保护单元内的临界漏电故障具有极强的反应能力;选择性指的是在发生漏电事故后,漏电保护装置仅切除供电单元中的漏电部分,而保留非漏电单元中的电源。并且保证无论是在干线式还是放射式供电中均能有效地将故障停电范围减小到最小。
  这里我们提出一种旁、直、零式选择性综合漏电保护方案,在这一系统中共使用到了5种不同的保护单元及插件:直流检测式漏电保护插件、附加三相接地电容器组、旁路式接地漏电继电器、若干块直流检测式漏电闭锁插件、零序功率方向式漏电保护插件。其中将一台旁路接地定人员、定时间、定责任、定标准、定措施继电器设置于总开关处,从而极大地提升保护系统的安全性以及保障了靠延时的纵向选择性的实现;其中附加三相接地电容器组设置于总开关的负荷侧,通过将其星形点连接于接地网来消除方向型保护所导致的动作死区;将一块直流检测式漏电保护插件设置于动作死区,同时作为整个漏电保护的总后备;此外除了总开关以外,在其余所有的馈电开关以及磁力启动器中均设置一块零序功率方向式漏电保护插件;同时如上述插件装设位置一样增设若干块直流检测式漏电闭锁插件。
  当这一保护单元中的某一支线W9上发生了单相漏电现象时:首先在漏电发生20s内2QA、4QA、9QC所设置的方向插件以及在1QA处设置的旁路插件均启动,同时1QA处的直流检测式保护插件也同时启动,而保证其余的保护插件不动;然后再50ms内旁路继电器发生动作,从而在1QA处将漏电相接地,从而使得漏电处的实际电流小于10ma。经过0.5s的延时作用,9QC中的方向保护插件开始动作,从而导致9QC跳闸,达到切断故障之路的目的。在此之后旁路接地继电器中直流检测式保护插件以及2QA、4QA中的方向保护插件全部返回,经过0.5s后的整个供电电路除了故障电路外的单相旁路接地运行自动转为正常状态。
  结束语
  当下煤矿矿井主要使用单一的漏电保护方式,加之不同厂家制造的漏电保护产品具有一定的差异性,为此很难保证漏电保护的可靠性、安全性、灵敏性以及选择性。为此研究及探索各种漏电保护方式的原理,并基于此原理提出一种适合于煤矿矿井应用的全面漏电保护方案是解决煤矿井下漏电保护的关键问题。
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