年 魁

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

漏電保護(hù)是為了保證煤礦井下供電安全的三大保護(hù)之一，所謂三大保護(hù)即保護(hù)接地、過流保護(hù)和漏電保護(hù)。煤礦安全規(guī)程中明確規(guī)定：在井下低壓饋電線上，應(yīng)該裝備帶有漏電閉鎖功能的保護(hù)裝置或則是應(yīng)該裝備帶有選擇性的保護(hù)裝置[1]。煤礦井下環(huán)境惡劣、空氣潮濕，相對(duì)濕度高達(dá)90%以上，這些都對(duì)在如此惡劣條件下運(yùn)行的電氣設(shè)備的絕緣問題提出了非常特殊的要求。而輸電電纜又是其中最為薄弱的環(huán)節(jié)，還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電等故障，漏電不僅可以導(dǎo)致電氣設(shè)備的損壞，而且還可能帶來人身觸電和煤塵、瓦斯爆炸等危險(xiǎn)。因此，井下電網(wǎng)必須配備漏電保護(hù)裝置。

1 低壓電網(wǎng)漏電故障特征

一般來說，對(duì)井下低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)裝置要求如下[2]：①當(dāng)井下低壓電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻低到一定程度時(shí)，必須及時(shí)動(dòng)作，切斷電源或者應(yīng)將電源開關(guān)閉鎖起來，防止其合閘送電，使事故擴(kuò)大；②動(dòng)作必須靈敏且可靠，既不允許拒動(dòng)，也不允許誤動(dòng)；③具有漏電跳閘和漏電閉鎖雙重功能，能連續(xù)監(jiān)視被保護(hù)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)；④反映要快，應(yīng)能夠滿足30mA·s的要求。

由于變壓器中性點(diǎn)直接接地方式在煤礦井下使用過程存在較多問題，因此，煤礦安全規(guī)程中明確規(guī)定：井下配電變壓器禁止中性點(diǎn)直接接地，并禁止由地面上中性點(diǎn)接地的變壓器或發(fā)電機(jī)直接向井下供電。下面介紹采用變壓器中性點(diǎn)絕緣方式供電的低壓電網(wǎng)在發(fā)生漏電時(shí)的故障特征[3]。

圖1 供電系統(tǒng)圖

1.1 忽略電網(wǎng)對(duì)地電容

在電纜總長(zhǎng)度比較短的條件下，電網(wǎng)的對(duì)地電容值不大，電容電流很小，可以忽略。此時(shí)計(jì)算人身觸電電流和單相接地電流時(shí)，可以只考慮電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的影響，供電系統(tǒng)如圖1所示。

（2）如果人身觸及某相（如A相），通過人身的電流將經(jīng)過其它兩相的絕緣電阻rB和rC構(gòu)成通路，此時(shí)，A相的絕緣電阻rA與人身電阻RR并聯(lián)，該相對(duì)地電阻變成：

此時(shí)，電網(wǎng)對(duì)地電壓和電流將發(fā)生變化，各相對(duì)地電壓不再平衡，隨之各相絕緣電阻中流過的電流也不再相同，變成：

根據(jù)電流定律：

即：

當(dāng)rA=rB=rC=r時(shí)，上式變?yōu)椋?/p>

而

3)預(yù)制光纜兩端由密封帽或密封套管保護(hù)，敷設(shè)時(shí)不能打開，敷設(shè)到柜內(nèi)，安裝時(shí)再打開密封帽或密封套管并找到對(duì)應(yīng)的安裝位置固定。

所以：

代入得人身觸電電流為：

（3）如果發(fā)生了單相接地故障（如A相），通過接地點(diǎn)的電流就是單相接地電流。與人身觸電電流一樣，只是A相的絕緣電阻rA被故障點(diǎn)短接起來，因此只需令RR=0即可。結(jié)果為：

（4）絕緣電阻不對(duì)稱時(shí)：

人身觸及某相（如A相）后，人身觸電電流為：

其有效值為：

1.2 考慮電網(wǎng)對(duì)地電容

當(dāng)電纜線路較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)地電容較大，電容電流便不能忽略。因此在計(jì)算人身觸電電流和單相接地電流時(shí)，除絕緣電阻外，還必須考慮電容的影響。此時(shí)，人身觸電電流的絕對(duì)值為：

式中：Z0—電網(wǎng)每相的零序阻抗；C—電網(wǎng)每相對(duì)地電容。由圖可以看出，在電網(wǎng)對(duì)地電容數(shù)值較大的情況下，人身觸電電流的主要成分是電容電流，此時(shí)提高絕緣電阻值，不但不能使人身觸電電流值減小，還有增大的危險(xiǎn)。

2 附加直流電源檢測(cè)原理

漏電保護(hù)是饋電開關(guān)必備的保護(hù)，作用有兩點(diǎn)：一是在電網(wǎng)投入運(yùn)行前，對(duì)電網(wǎng)的絕緣水平進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻下降到規(guī)定值時(shí)閉鎖合閘回路，阻止電網(wǎng)投入運(yùn)行；二是在運(yùn)行過程中檢測(cè)電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻，一旦電阻值降到規(guī)定值，則立即斷開電源，停止供電。

漏電保護(hù)的方法很多，從保護(hù)的原理上看不外乎有以下幾種：附加直流電源檢測(cè)原理、零序電壓保護(hù)原理、零序電流保護(hù)原理及零序電流方向保護(hù)原理。本文重點(diǎn)介紹采用附加直流電源檢測(cè)原理，詳細(xì)介紹如下：

圖2 附加直流電源檢測(cè)原理圖

附加直流電源檢測(cè)原理是利用附加在電網(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。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)絕緣水平很高，附加直流檢測(cè)回路的電流很小，不足以使保護(hù)裝置動(dòng)作，當(dāng)絕緣水平下降或漏電時(shí)，直流電流增大，保護(hù)動(dòng)作。該保護(hù)原理可以可靠地檢測(cè)單相及三相漏電故障，是實(shí)現(xiàn)礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)的有效方案之一。其原理如圖2所示。

直流電流I由直流電源U的正極流出，入 “地”后經(jīng)絕緣電阻rA、rB和rC進(jìn)入三相電網(wǎng)，再由三相電抗器SK、零序電抗器LK、千歐表kΩ和直流繼電器J，返回電源負(fù)極。對(duì)于穩(wěn)定的直流電流，電容器C和電網(wǎng)對(duì)地電容CA、CB和CC相當(dāng)于開路，不會(huì)有電流流過。此時(shí)直流電流I的計(jì)算：

式中：R∑—檢漏繼電器內(nèi)阻；相當(dāng)于三相電網(wǎng)每相對(duì)地的絕緣電阻并聯(lián)，若其中一相（如A相）絕緣電阻降低，另外兩相無限大，則=rA；若A、B兩相的絕緣電阻同時(shí)降低，且rA=rB=r，而另一相為無限大，則=r/2；若三相絕緣電阻同時(shí)下降，且rA=rB=rC=r，則=r/3。

絕緣動(dòng)作電阻值的大小，可根據(jù)安全要求來確定，這樣就可以確定繼電器的動(dòng)作電流Idz。當(dāng)絕緣電阻下降到一定程度或電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時(shí)，電流I將大于或等于繼電器的動(dòng)作電流Idz，繼電器便動(dòng)作。

在系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，直流電源U由直流產(chǎn)生電路提供，其電壓值基本恒定。這樣，電網(wǎng)的絕緣狀況可以通過電位器R6上的電壓來反應(yīng)，檢測(cè)此電位器上的電壓UL，即可得到電網(wǎng)絕緣狀況。電壓UL和電網(wǎng)絕緣電阻的關(guān)系見式：

3 漏電閉鎖電阻值與動(dòng)作值的確定

漏電閉鎖電阻值是根據(jù)漏電動(dòng)作電阻值確定的，而漏電動(dòng)作電阻值的確定是以保證人身觸電的安全性為前提的。

煤礦安全規(guī)程規(guī)定我國(guó)煤礦井下人身觸電安全電流值為30mA[4]。假設(shè)rA=rB=rC=r，在不考慮電網(wǎng)電容的情況下，計(jì)算得：在660V供電電壓下，流過人體電流按30mA計(jì)算，便可確定出允許的電網(wǎng)最小漏電電阻值為：

考慮到三相電網(wǎng)的漏電電阻對(duì)直流而言為并聯(lián)通路，則漏電動(dòng)作電阻值為：

實(shí)際采用11kΩ。一般三相絕緣并非對(duì)稱下降，當(dāng)一相絕緣電阻降低為r，而其余兩相仍為無限大時(shí)，人身觸電電流要大于30mA，為了尋求人身觸電的安全條件及維護(hù)低壓電網(wǎng)多支路正常運(yùn)行，一般取漏電閉鎖電阻值為漏電動(dòng)作值的2倍，即22kΩ。同理可得1140V電網(wǎng)的漏電閉鎖電阻值為40kΩ。該保護(hù)系統(tǒng)適用于660V和1140V兩種電壓，因此，需選擇不同的漏電閉鎖值（660V為22kΩ；1140V為40kΩ），通過在程序中設(shè)置不同的比較值來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

漏電保護(hù)是煤礦井下電氣上的三大保護(hù)之一，深人地研究電網(wǎng)漏電機(jī)理和漏電保護(hù)原理，提高井下漏電保護(hù)的技術(shù)水平，對(duì)確保煤礦用電安全和加速我國(guó)現(xiàn)代化礦井的建設(shè)有重要意義。

[1]中華人民共和國(guó)能源部制定.煤礦安全程[S].1992.

[2]趙全福，等.電氣安全技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[3]胡天祿.礦井電網(wǎng)的漏電保護(hù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1987.

[4]Paul B.COMMINGS,Protection of induction motors against unbalanced voltage operation,IEEE Trans.On Ind.Appl.Vol.IA-21,No.4,May/Jane.1985.