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1 引言

煤礦井下空氣潮濕，空間狹窄，光線不足，工況惡劣，對(duì)在這條件下運(yùn)行的電氣設(shè)備絕緣提出了更高要求。而礦用電纜是供電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是一些采掘設(shè)備的拖曳電纜，易受磨損或擠壓，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電，造成絕緣下降或單相接地。漏電不僅導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞或人身觸電，還會(huì)造成單相接地，進(jìn)而發(fā)展成相間短路，而且在含有瓦斯、煤塵爆炸等危險(xiǎn)環(huán)境中，其產(chǎn)生的火花還可能造成瓦斯、煤塵爆炸等危險(xiǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，漏電故障約占煤礦井下電氣故障的70%［1］。因此，研究漏電的特征，采取切實(shí)可行的漏電保護(hù)措施，對(duì)井下安全供電具有重要意義。

在煤礦井下供電系統(tǒng)中，當(dāng)其中的帶電體某點(diǎn)對(duì)大地的絕緣阻抗降低到一定程度時(shí)，該處就出現(xiàn)了漏電故障。而系統(tǒng)中設(shè)置漏電保護(hù)的主要目的就是通過快速切斷供電電源，防止人身觸電傷亡和漏電電流引起瓦斯、煤塵爆炸。

為了有效實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)和防止故障擴(kuò)大，煤礦井下電氣系統(tǒng)中的漏電保護(hù)裝置應(yīng)滿足以下要求［2］:

(1)具有漏電閉鎖和漏電保護(hù)兩種功能，并實(shí)時(shí)檢測(cè)供電電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻;

(2)電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻降低到一定程度時(shí)，應(yīng)立即動(dòng)作，并切斷供電電源;

(3)保護(hù)迅速，其動(dòng)作時(shí)間要小于30ms;

(4)動(dòng)作靈敏可靠，不能拒動(dòng)和誤動(dòng)。

2 漏電保護(hù)原理

漏電保護(hù)是煤礦井下安全供電的三大保護(hù)之一。其不但要實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷運(yùn)行前，對(duì)供電電纜或者負(fù)荷的絕緣水平進(jìn)行檢測(cè)，而且檢測(cè)到對(duì)地絕緣電阻下降到一定程度時(shí)閉鎖合閘回路，阻止負(fù)荷投入運(yùn)行。此外，在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻，一旦電阻值降低到設(shè)定值，立即斷開供電電源。

根據(jù)檢測(cè)物理量不同，所形成的漏電保護(hù)原理和裝置較多［3］，但從適用于井下供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)原理來看，主要有附加直流電源檢測(cè)原理、利用三個(gè)整流管保護(hù)原理、零序電壓保護(hù)原理、零序電流保護(hù)原理及零序功率方向保護(hù)原理［4，5］。

2.1 附加直流電源檢測(cè)

附加直流電源檢測(cè)原理是用附加在電網(wǎng)與地之間的直流電源來檢測(cè)電網(wǎng)是否發(fā)生漏電故障。

其保護(hù)電路由附加直流檢測(cè)電源、三相電抗器、限流電阻、雙T濾波、高通濾波、信號(hào)取樣等組成，原理框圖如圖1所示。

由圖1可知，直流電流經(jīng)U的正極通過電網(wǎng)對(duì)地電阻、三相電抗器SK、限流電阻R、濾波電路形成回路，回路中的直流電流為:

圖1 附加直流電源檢測(cè)原理

式中，RΣ為回路中三相電抗器、限流電阻、濾波電路中的等效電阻;rΣ為三相電網(wǎng)每相對(duì)地的絕緣電阻并聯(lián)。當(dāng)漏電保護(hù)電路確定后，RΣ和附加直流檢測(cè)電源不隨電網(wǎng)絕緣電阻的波動(dòng)而變化。由此可見，通過直流電流I可以反映電網(wǎng)的對(duì)地絕緣電阻rΣ，調(diào)節(jié)電路中取樣回路中的電阻，可以改變電網(wǎng)中的漏電保護(hù)電阻值。

2.2 利用三個(gè)整流管保護(hù)

利用三個(gè)整流管設(shè)計(jì)的漏電保護(hù)如圖2所示。

圖2 三個(gè)整流管保護(hù)原理

圖中，三個(gè)整流管一端分別接到電網(wǎng)的三相上，而另一端連接在一起經(jīng)繼電器或者負(fù)載電阻接地。由于供電變壓器中性點(diǎn)不接地，經(jīng)過三個(gè)整流管整流后的直流電流，經(jīng)過負(fù)載電阻和三相電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻，返回電源。由三相電源的波形圖不難看出，在第一個(gè)三分之一周期內(nèi)，A相電壓大于B、C兩相，A相的整流管導(dǎo)通，電流由A相的電源流出，由絕緣電阻RB、RC返回電源的另兩相，這兩相的整流管在反向電壓的作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)。同理，B相、C相的整流管依次間隔120°導(dǎo)通，其導(dǎo)通后形成的電壓均為:

負(fù)載電阻中的平均電流為:

2.3 零序保護(hù)原理

2.3.1 漏電故障分析

O為供電變壓器中心點(diǎn)對(duì)地電壓分別為各相對(duì)地電壓，其對(duì)地電壓為:

通過各相對(duì)地電阻和對(duì)地電容電流分別為:

式(6)中，RA、RB、RC為供電電纜對(duì)地等效絕緣電阻;XA、XB、XC為供電電纜對(duì)地容抗。

式(5)代入式(6)得

當(dāng)A相發(fā)生漏電故障后，電網(wǎng)中有電流通過漏電電阻RL進(jìn)入大地，由基爾霍夫定理可知:

式中，R和X分別為在三相線路對(duì)地絕緣電阻和電容。

圖3 供電電網(wǎng)中零序電壓和零序電流

由式(7)可見，發(fā)生漏電故障時(shí)，電網(wǎng)對(duì)地電流由兩部分組成，一部來自電網(wǎng)相電壓，另一部分由零序電壓產(chǎn)生，即為零序電流。

由上式可見，電網(wǎng)漏電后，漏電電流等于電網(wǎng)各相對(duì)地的零序電流之和，且它們的相位相反。在三相電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱性漏電故障時(shí)，必然產(chǎn)生零序電壓，它在三相電網(wǎng)對(duì)地電容中就會(huì)產(chǎn)生零序電流，通過檢測(cè)零序電流大小，可以判斷線路是否發(fā)生漏電故障。

2.3.2 零序功率方向保護(hù)原理

在中性點(diǎn)對(duì)地絕緣的供電系統(tǒng)中，當(dāng)有多個(gè)分支線路時(shí)，其漏電電流分布如圖4所示。

圖4 漏電故障的零序電流分布特點(diǎn)

如圖4所示的三條支路L1、L2、L3，當(dāng)L3支路的A相發(fā)生接地故障時(shí)，全電網(wǎng)A相對(duì)地電位均為零，對(duì)地電容被短接，而B、C兩相對(duì)地電壓變?yōu)榫€電壓，在各自電壓的作用下形成電容電流，其電流分別為

流過故障支路零序電流互感器的電流是各個(gè)支路電流與故障支路電流的矢量和，其為

從上述不難看出，多個(gè)分支線路中有支路發(fā)生漏電時(shí)，有以下特點(diǎn):

(1)非故障支路中的零序電流分別為本支路的電容電流，方向由母線流向線路;

(2)流過故障支路的零序電流是其他所有非故障支路電容電流之和，方向由線路流向母線，與非故障支路方向相反;

(3)故障支路的零序電流為其余各支路零序電流之和。

零序功率方向保護(hù)原理就是利用零序電流與零序電壓的相位的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)供電電網(wǎng)線路的選擇性漏電保護(hù)，通過檢測(cè)不同支路零序電流的相對(duì)方向來判斷出漏電支路。

3 結(jié)語(yǔ)

在各種漏電保護(hù)原理中，附加直流電源檢測(cè)保護(hù)沒有選擇性，當(dāng)整個(gè)電網(wǎng)的任何地方發(fā)生漏電時(shí)，直流檢測(cè)回路都會(huì)形成回路，使漏電保護(hù)動(dòng)作。利用三個(gè)整流管保護(hù)，不但沒有選擇性，而且隨著電源電壓的波動(dòng)，整流以后的平均電壓發(fā)生變化，因而動(dòng)作電阻值也隨著變化。采用零序電壓實(shí)施漏電保護(hù)時(shí)，動(dòng)作值不固定、動(dòng)作無選擇性、不能檢測(cè)絕緣電阻的對(duì)稱下降。零序電流保護(hù)時(shí)動(dòng)作電阻值不固定，僅適用于分支線路較多、電網(wǎng)對(duì)地分布電容較大的場(chǎng)合。零序功率方向保護(hù)是通過比較零序電流和零序電壓之間的相位來實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，其不但可以實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)，需要的零序電流小，靈敏度高。綜上所述，不同的漏電保護(hù)原理，具有不同的特點(diǎn)和使用條件，因此，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)供電電網(wǎng)的情況和要求，選用不同的漏電保護(hù)裝置，以實(shí)現(xiàn)煤礦井下電氣系統(tǒng)可靠的漏電保護(hù)。

［1］王虹橋.附加直流電源的電纜絕緣在線檢測(cè)新法［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(4)，19 －21.

［2］趙全福，等.煤礦安全手冊(cè) 第十一篇 電氣安全技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

［3］Thomas N.The effects of very-high-resistance grounding on the selectivity of ground-fault relaying in high-voltage longwall power systems ［J］.IEEE Trans IndAppl，2001，37(2):398 －406.

［4］牟龍華，孟慶海，胡天祿.基于故障分量有功功率的選擇性漏電保護(hù)［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31(4).

［5］宋建成，等.礦井電網(wǎng)過電流特征分析及其保護(hù)系統(tǒng)的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(1).