吳 姜

（貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025）

煤礦漏電保護(hù)系統(tǒng)模擬電網(wǎng)設(shè)計(jì)

吳 姜

（貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025）

設(shè)計(jì)一個(gè)模擬電網(wǎng)，在實(shí)驗(yàn)室將該模擬電網(wǎng)、礦用隔爆饋電開關(guān)和礦用檢漏繼電器按一定的結(jié)線方式連接，構(gòu)成煤礦漏電保護(hù)模擬系統(tǒng)，該模擬漏電保護(hù)系統(tǒng)可反映供電系統(tǒng)的絕緣水平(電阻)，同時(shí)可模擬煤礦在單項(xiàng)漏電、兩項(xiàng)漏電、三項(xiàng)漏電、有人觸電等不同狀態(tài)下的漏電保護(hù)，并且測(cè)出漏電保護(hù)動(dòng)作電流和系統(tǒng)的絕緣水平(電阻)，揭示煤礦漏電保護(hù)的工作原理。

煤礦;漏電保護(hù);模擬電網(wǎng)設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)室

0 引言

煤礦井下環(huán)境條件惡劣，容易發(fā)生各種電氣事故，如電氣設(shè)備和電纜常會(huì)受巖石和煤塊的碰擊導(dǎo)致漏電;井下空氣潮濕，相對(duì)濕度在90% ～95%以上［1］，而且煤礦井下機(jī)電室和巷道常有滴水或淋水，電氣設(shè)備容易受潮導(dǎo)致漏電。一旦漏電，可使電氣設(shè)備的絕緣惡化，從而造成相間短路，可能導(dǎo)致人身觸電、引發(fā)電火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸和電雷管的先期爆發(fā)，嚴(yán)重危及人員和礦井安全，因此必須采取漏電保護(hù)，以防止漏電事故范圍的擴(kuò)大［2］。為了使學(xué)生更好地掌握漏電保護(hù)工作原理，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)漏電保護(hù)模擬電網(wǎng)，直觀顯示漏電保護(hù)工作原理。

煤礦井下低壓漏電保護(hù)通常采用礦用隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)和礦用隔爆檢漏繼電器配合使用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)低壓供電單元漏電保護(hù)。如圖1所示［3］，其中DB1:礦用隔爆高壓開關(guān);T1:礦用變壓器，QA:礦用隔爆自動(dòng)饋電開;QA1總開關(guān)，其余的為支路總開關(guān);SM:礦用隔爆磁力啟動(dòng)器;KG:礦用隔爆檢漏繼電器。當(dāng)運(yùn)行中的電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻降低到危險(xiǎn)值或人觸及一相導(dǎo)體或電網(wǎng)一相接地時(shí)，檢漏繼電器KG發(fā)出漏電指令，隔爆自動(dòng)饋電總開關(guān)QA1迅速跳閘，另外通過(guò)檢漏繼電器內(nèi)裝的歐姆表時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)的絕緣水平，在380、660、1 140 V 的電網(wǎng)中絕緣水平分別為 3.5、7、11 kΩ［4-5］，只要供電系統(tǒng)任何一處發(fā)生漏電，其絕緣等于或低于該水平，則礦用隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)迅速跳閘切斷電源，進(jìn)行漏電保護(hù)，有效防止了人身觸電、瓦斯和煤塵爆炸等漏電事故［6］。

圖1 采區(qū)變電所——工作面配電方式

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行漏電保護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)必須要設(shè)計(jì)一個(gè)模擬電網(wǎng)，然后與KBZ系列隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)和JY82型礦用隔爆檢漏繼電器按照一定的接線方式連接如圖2所示，才能實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)和時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)的絕緣水平。KBZ系列礦用隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)可購(gòu)買成品，具有機(jī)械閉鎖系統(tǒng)和自動(dòng)跳閘切斷電源的作用;JY82檢漏繼電器購(gòu)買成品，具有時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)的絕緣水平、進(jìn)行漏電保護(hù)和補(bǔ)償流過(guò)人身的電容電流的作用。

圖2 漏電保護(hù)系統(tǒng)框

1 設(shè)備

JY82檢漏繼電器和KBZ列隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)購(gòu)買成品，模擬電網(wǎng)模自制。

1.1 JY82檢漏繼電器主要元件及作用

從文獻(xiàn)［6］中介紹的JY82檢漏繼電器中各部件的工作簡(jiǎn)述于下:

1L:三相電抗器。其作用是引入交流電;

2L:零序電抗器。它有兩個(gè)作用:一是本身具有較大的電抗值(105Ω)，可以保證三相電抗器中性點(diǎn)對(duì)地的絕緣水平，二是通過(guò)它的電感電流來(lái)補(bǔ)償漏電、觸電時(shí)的電容電流;

KD:直流繼電器，是檢漏繼電器的執(zhí)行元件.它的額定動(dòng)作電流為5 mA，有兩個(gè)常開接點(diǎn) KDl和KD2，KDl為動(dòng)作接點(diǎn)，用以接通自動(dòng)饋電開關(guān)脫扣線圈的電源;KD2為自保接點(diǎn);

kΩ:歐姆表，它實(shí)際上是一只刻著歐姆刻度的直流毫安表，用以監(jiān)視電網(wǎng)的絕緣水平;

vc:橋式整流器，提供直流檢測(cè)電源，即附加到三相電網(wǎng)與大地間的直流電源;

R3:試驗(yàn)電阻，用以檢查檢漏繼電器的動(dòng)作是否?？?，其數(shù)值對(duì)于660 V電網(wǎng)為10 kΩ，對(duì)于380 V電網(wǎng)為 3.3 kΩ;

SB:試驗(yàn)按鈕，與試驗(yàn)電阻和輔助接地極配合，檢查檢漏繼電器的動(dòng)作是否可靠;

1PE:局部接地極;2PE:輔助接地極。

1.2 KBZ系列隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)主要元件及作用

文獻(xiàn)［7］中的KBZ系列的隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)各部件的工作為:

KM:手動(dòng)三極接觸器由其手柄直接控制，用于正常情況下接通和切斷電源;

YA3:分勵(lì)脫扣線圈，實(shí)際上為一只有壓釋放器，它與檢漏繼電器配合使用，其一端接三極接觸器負(fù)荷端的L2相，另一端經(jīng)接線盒的線柱x接至檢漏繼電器的常開接點(diǎn)。當(dāng)線路有漏電情況時(shí)，檢漏繼電器的常開接點(diǎn)閉合，使YA3線圈經(jīng)此接點(diǎn)與電源的另一相(Ll或L3)相接，于是該線圈便因同時(shí)接于兩相電源而帶電，導(dǎo)致自動(dòng)開關(guān)跳閘。

1.3 模擬電網(wǎng)

通過(guò)模擬電網(wǎng)模擬煤礦井下供電系統(tǒng)，其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)三相電纜對(duì)地絕緣電阻的大小。

2 模擬電網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 漏電保護(hù)動(dòng)作電阻的整定計(jì)算

目前我國(guó)煤礦井下廣泛使用的是變壓器中性點(diǎn)絕緣(不接地)或中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地的運(yùn)行方式如圖3所示。在該供電系統(tǒng)中當(dāng)有人觸電后流過(guò)人身電流Ima為［8］:

其中:Ima為人身觸電電流 (Ima＜30 mA);UN為系統(tǒng)額定電壓(V)，系統(tǒng)電壓分別取380、660、1 140 V進(jìn)行計(jì)算;Rma為人身電阻(Rma=1.0 kΩ);r=r1=r2=r3分別為三相電纜對(duì)地電阻(kΩ);C=C1=C2=C3分別為三相電纜對(duì)地電容(μF);ω為角頻率(ω=2πf=2×3.14 ×50=314)。

圖3 煤礦井下低壓供電單元原理圖［8］

在式(3)中代如入Ima=50 mA，UN=380 V，Rma=1.0 kΩ，可以算的r=10.2 kΩ，這說(shuō)明對(duì)于 380 V 的電網(wǎng)，各相對(duì)地的實(shí)際絕緣水平必須保持在10.2 kΩ以上，否則將發(fā)生漏電事故，因此可以計(jì)算出單相漏電時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作電阻整定值，即

對(duì)于直流回路，三相電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻是并聯(lián)關(guān)系，因此低壓電網(wǎng)的單相、兩相和三相漏電的動(dòng)作電阻值，應(yīng)為1∶2∶3的關(guān)系。將上述參數(shù)代入式(3)，可分別計(jì)算出單相電纜對(duì)地電阻最小值以及保護(hù)裝置動(dòng)作電阻的整定值。如表1［9］所示。

表1 電纜對(duì)地電阻最小值直流檢測(cè)型漏電保護(hù)繼電器的動(dòng)作電阻值

2.2 模擬電網(wǎng)設(shè)計(jì)

從表1可知，在380 V供電系統(tǒng)中只要三相電網(wǎng)中其中一相對(duì)地的絕緣電阻降至10.2 kΩ則將發(fā)生單相漏電事故。因此設(shè)計(jì)模擬電網(wǎng)三相對(duì)地電阻必須小與或等于10.2 kΩ，因此，如圖4所示r1和r2都設(shè)計(jì)為10 kΩ，在L3相則設(shè)計(jì)兩個(gè)并聯(lián)電阻既r3=8.5 kΩ，r4為一個(gè)可調(diào)電阻其大小為0～75 kΩ，r5=1 kΩ，當(dāng)K開關(guān)關(guān)閉時(shí)表示三相電網(wǎng)對(duì)地絕緣降至所對(duì)應(yīng)的電阻值;K開關(guān)斷開時(shí)表示三相電網(wǎng)對(duì)地絕緣降至無(wú)窮大，K開關(guān)斷開，r4調(diào)至零則表示有人觸電，毫安表用于檢測(cè)漏電保護(hù)的動(dòng)作電流。

圖4 模擬電網(wǎng)

3 漏電保護(hù)工作原理

按圖5［10］將 JY82檢漏繼電器、KBZ列隔爆自動(dòng)饋電開關(guān)、模擬電網(wǎng)連接，隔離開關(guān)QS合閘以后，整個(gè)檢漏繼電器便通過(guò)三相電抗器lL與總開關(guān)QA連接，并開始工作。其直流檢測(cè)漏電保護(hù)回路如下［11］:

圖5 漏電保護(hù)工作原理圖

3.1 時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)絕緣水平

流過(guò)漏電保護(hù)回路的電流為:

從式(4)可知，直流檢測(cè)回路中的電流將隨∑r的減小而變大，即豪安表讀數(shù)可以表示電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻值，按式(4)將毫安表的讀數(shù)換算成歐姆值，就可以隨時(shí)通過(guò)歐姆表讀出電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻，這樣，可以根據(jù)該表的讀數(shù)時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)的絕緣水平。

3.2 漏電、觸電保護(hù)

3.2.1 有人觸電時(shí)

從式(4)可知，一旦∑r降至表1對(duì)應(yīng)的漏電保護(hù)的動(dòng)作電阻值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作裝置動(dòng)作切斷電源，進(jìn)行了漏電保護(hù)［12］。

3.2.2 無(wú)人觸電時(shí)

流過(guò)漏電保護(hù)回路的電流為:

式中:UC為附加直流電源電壓，檢漏繼電器調(diào)整好后，便保持不變;∑r為三相電網(wǎng)對(duì)地總的絕緣電阻，即各相對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)值，當(dāng)參數(shù)對(duì)稱時(shí)，∑，Ω;∑R為除∑r以外，整個(gè)直流檢測(cè)網(wǎng)路中各元件電阻之和，其數(shù)值不變，大小可忽略不計(jì)。

此時(shí)無(wú)論是電網(wǎng)絕緣下降還是有人觸電流過(guò)該直流檢測(cè)回路中的電流將大于直流繼電器KD動(dòng)作電流5 mA，而使直流繼電器KD動(dòng)作，其觸電KD2閉合自保，KD1閉合接通自動(dòng)饋電開關(guān)中脫扣線圈YA的電路，自動(dòng)饋電開關(guān)跳閘，這就實(shí)現(xiàn)了漏電保護(hù)［13］。

4 漏電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行

按照表2設(shè)計(jì)的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。

表2 漏電保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)記錄表

4.1 時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)絕緣水平

步驟:① 開關(guān)K1K2，K3置“關(guān)”狀態(tài)，電位器r4置最大。②接通電源，記錄自動(dòng)饋電開關(guān)不跳閘時(shí)歐姆表、毫安表讀數(shù)。③慢慢調(diào)小電位器r4觀察歐姆表讀數(shù)(時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)絕緣水平)，記錄自動(dòng)饋電開關(guān)跳閘時(shí)的歐姆表、毫安表讀數(shù)。

4.2 漏電和觸電保護(hù)

步驟:①按表2要求逐相降低模擬電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻r。② 記錄系統(tǒng)在不同絕緣狀態(tài)下歐姆表、毫安表讀數(shù)，

5 結(jié)語(yǔ)

從表2可知，通過(guò)試驗(yàn)，真實(shí)地模擬了煤礦井下漏電保護(hù)［14］過(guò)程，為學(xué)生學(xué)習(xí)漏電保護(hù)知識(shí)提供一個(gè)全面直觀的教學(xué)環(huán)境［15］。

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Simulation Grid Design for Coal Mine Electric Leakage Protection System

WU Jiang(Institute of Mining，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In laboratory，a simulation grid was design，and connected to mining flame-proof feeding switch and relay mine leak detection in a certain way，and form the mine electric leakage protection simulation system.The electric leakage protection system can reflect the insulation level of the power supply system(resistance)，at the same time can simulate coal mine in the three single leakage，two leakage，It can also simulate the case that someone get an electric shock and provide leakage protection of different conditions，such as leakage protection，and leakage protection action current and the insulation level of the system can be measured as well.It reveals the working principle of leakage protection of coal mine，and can help the student to study the leakage protection knowledge.

coal mine;leakage protection;simulation grid design;laboratory

TD 611

A

1006－7167(2014)05－0077－04

2013－07－11

吳 姜(1964－)，女，云南昆明人，本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向:采礦工程。Tel.:13985440535;E-mail:491013070@qq.com