成 洋

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000）

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采煤機漏電保護裝置的設(shè)計研究

成 洋

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000）

通過對井下供電系統(tǒng)和異步電動機漏電事故原因的研究，分析了采煤機漏電保護裝置的工作原理及出現(xiàn)問題的原因，在附加直流電源式漏電保護原理的基礎(chǔ)上，針對已出現(xiàn)的問題提出了改進方案，減少了變頻器等裝置的影響，提高工作效率，實現(xiàn)以硬件保護為主，同時輔以軟件監(jiān)測、監(jiān)控的漏電保護裝置。

采煤機；漏電保護；異步電動機；變頻器

交流異步電動機是煤礦井下生產(chǎn)活動的主要運行設(shè)備，但因為井下工作環(huán)境較為惡劣，電動機需要長時間地面對高溫、高濕、煤塵等環(huán)境因素的危害，使電機容易產(chǎn)生燒壞或絕緣程度降低而發(fā)生漏電等現(xiàn)象，易造成對人員或設(shè)備的傷害。我國《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定:井下低壓饋電線上，必須裝設(shè)檢漏保護裝置或有選擇性的漏電保護裝置，保證自動切斷漏電的饋電線路［1］。所以井下電機的漏電保護裝置是必不可少的。

1　電機漏電保護裝置的分類

漏電保護是保證煤礦井下安全供電的3大保護之一，是防止人身觸電的重要措施［2］。漏電保護裝置是一種用于防止由人身觸電或電氣設(shè)備漏電而引起事故的接地保護裝置，其作用在于當電路中或用電設(shè)備自身的漏電電流超過裝置設(shè)定的額定值，或有人、動物發(fā)生觸電危險時能夠快速做出保護動作，切斷事故電源，減小事故的發(fā)生率和其帶來的損失，盡可能地保障工作中的人身及設(shè)備的安全［3-4］。我國對于漏電保護的研究已有40多年，漏電保護這一技術(shù)已成為我國礦井安全生產(chǎn)必不可少的一部分［5］。

漏電保護裝置具有較多的種類，根據(jù)井下設(shè)備所用供電系統(tǒng)是中性點不接地的特點，目前漏電保護裝置原理的類型主要有:附加直流電源式保護原理、零序電壓保護原理、零序電流大小及零序電流方向保護原理［6］。前3種漏電保護原理為非選擇性保護，即當井下任意位置出現(xiàn)設(shè)備漏電或人身觸電事故，保護裝置將迅速切斷整個工作面的供電電源，但不能夠準確判定故障產(chǎn)生的位置且做出針對性的保護動作［7］；第4種漏電保護原理為選擇性漏電保護，可以準確判斷出發(fā)生漏電事故的具體位置，且快速將該故障支路與電源斷開，其與前3種保護原理相比，在理論上有著極大的優(yōu)勢，但是在井下高溫、高濕的特殊環(huán)境中，很難準確監(jiān)測到零序電壓、電流，這將導(dǎo)致保護裝置具有較高的誤動作率，所以我國井下設(shè)備大多采用附加直流電源式漏電保護原理，這種原理具有較明顯的特征且更容易對電流的變化進行捕捉［8-9］。隨著礦井生產(chǎn)能力的增加，以及井下開采設(shè)備的更新?lián)Q代，礦井內(nèi)供電系統(tǒng)也越加復(fù)雜，因而對附加直流電源式漏電保護裝置的研究與改進已迫在眉睫。

2　附加直流電源式漏電保護裝置原理

目前井下供電系統(tǒng)電源均為中性點不接地方式，這種方式的供電系統(tǒng)產(chǎn)生的漏電電流非常小，使保護裝置很難判斷是否發(fā)生漏電故障，因此井下漏電檢測裝置需要單獨設(shè)置一個接地的電源。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，檢測系統(tǒng)的電流信號非常小，不會致使保護裝置動作；而當系統(tǒng)內(nèi)有電機漏電時，漏電信號將較大，從而推動后級觸發(fā)器實現(xiàn)保護動作，甚至可以直接觸發(fā)繼電器進行保護。

井下采煤機的漏電保護裝置（圖1）主要采用附加直流電源式的保護方式，由三相電抗器SK、零序電抗器LK、電容C、直流電源U、采樣電阻R、電動機絕緣電阻Rm、比較器等器件組成，比較器輸出端連接的電路由限流電阻、三極管及電壓繼電器等器件組成，電壓繼電器線圈由12V電源電壓供電。

圖1　漏點故障保護電路原理

因為零序電抗器和三相電抗器都相當于電感元件，所以當供電為50Hz交流電時，零序電抗器和三相電抗器產(chǎn)生的阻抗非常大，使供電電網(wǎng)與保護裝置之間近似完全隔離；而在直流回路中，零序電抗器和三相電抗器則幾乎不產(chǎn)生阻抗，不會影響直流回路內(nèi)的總體阻值，從而不會影響到裝置的靈敏度。直流電源通過三相電抗器從而連接在電網(wǎng)與地之間，直流電流從直流電源正極流出，經(jīng)過零序電抗器、三相電抗器、電動機絕緣電阻Rm、接地點的采樣電阻R回到電源負極、形成通路［10］。因為在穩(wěn)定的直流電路中，電容器C具有 “隔直通交”的特性相當于開路，所以此時回路中的直流電流I 為:

式中，直流電源U值為24V；RΣ=R+rΣ，rΣ為電抗器電阻值；R為采樣電阻阻值；Rm為電動機對地絕緣電阻。

式（1）中只有Rm是一個變量，因此檢測電路中的直流電流I值可以直接反映出電動機是否漏電，此時采樣電阻兩端的電壓可以表示為U［11］:

S

當?shù)V井內(nèi)采煤機正常運行時，采煤機內(nèi)電機的絕緣電阻Rm非常大，檢測電路內(nèi)的直流電流I非常小，采樣電阻兩端電壓基本為0，而當發(fā)生漏電故障時，電機的絕緣電阻Rm將迅速變小，直流回路形成通路，電流I增大，同時采樣電阻兩端電壓迅速增大，將采樣電壓與比較器負端的基準電壓進行比較，當采樣電壓高于基準電壓時，則判斷為電動機發(fā)生了漏電事故，此時比較器將輸出高電平，三極管基極電壓上升使三極管導(dǎo)通，從而使繼電器KV得電動作，迅速切斷電網(wǎng)供電，使井下設(shè)備和人員得到及時保護。附加直流電源式漏電保護裝置具有漏電現(xiàn)象明顯、檢測方便、保護延時小等特點，比較適用于采煤機漏電保護［11］。

3　存在問題及原因

目前的采煤機漏電保護裝置常常會出現(xiàn)燒毀或者誤動作等情況。對于這些故障或問題的出現(xiàn)，主要由以下幾方面原因造成:

（1）目前部分漏電保護裝置的直流檢測電路中的電流檢測元件仍是傳統(tǒng)的電流互感器，這種電流互感器是一種利用電磁感應(yīng)原理從而對電流進行測量的變壓器，其二次側(cè)電壓值與流經(jīng)其一次側(cè)的電流變化率成正比關(guān)系。由于這種變壓器較小、形式較簡單，對外部大磁場的抗干擾能力較弱，因此在受到影響時會產(chǎn)生較大的誤差。

（2）目前部分漏電保護裝置的校驗部分提供給比較器負端的基準電壓仍然是通過電阻分壓得到，在井下高溫、高濕的環(huán)境中，電阻值容易發(fā)生較大的變化，從而影響基準電壓的準確性，這將成為保護裝置誤動作或動作不準確的一大隱患。

（3）目前使用的漏電保護裝置采用的附加直流電源式保護原理對故障沒有選擇性，即任一支路發(fā)生漏電故障，保護裝置都會切斷整個工作面的供電電源，這將使工人對故障點進行查找和檢修時花費很大的工作量。

此外，研究發(fā)現(xiàn)漏電保護裝置還受到采煤機上電前和正常工作漏電檢測兩方面的影響:

電動機反電動勢 在電動機上電前，漏電保護裝置的直流檢測電路已開始工作，通常在開關(guān)主觸點分斷同時動作時，主電路中的變頻器是停止狀態(tài)，所以變頻器裝置不會對檢測電路造成干擾。但是由電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，電機內(nèi)部的電磁繞組是電機的主要組成部分，并且電機的工作原理為電磁線圈的感應(yīng)作用，所以當電網(wǎng)斷電瞬間，由于電機內(nèi)部電磁繞組的慣性作用，將使電機定子繞組兩端產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓方向相反的反電動勢。當供電系統(tǒng)內(nèi)主電路上開關(guān)頻繁通斷或通斷時間配合不當時，將可能導(dǎo)致電機定子繞組兩端產(chǎn)生的反電動勢竄入到檢測電路中，造成漏電保護裝置燒壞。

變頻器 當漏電保護裝置的檢測電路工作時，處于主回路的變頻調(diào)速裝置也在運行。變頻器是一種以電力電子器件為核心的裝置，變頻器內(nèi)包含整流和逆變兩個主要部分，通過控制大功率晶閘管的開通時間和順序來改變電壓的輸出頻率。而大功率晶閘管的頻繁通斷是影響電壓中諧波含量的主要因素，在大量的諧波分量中，高次的諧波分量往往高于給定的基準電壓，從而導(dǎo)致了漏電保護裝置的誤動作。

4　改進方案與設(shè)計

通過對現(xiàn)有漏電保護裝置的研究，并針對以上提出的問題，對采煤機漏電保護裝置提出了進一步的設(shè)計和改進方案。

（1）針對采樣電路的準確性和穩(wěn)定性，設(shè)計采用霍爾電流傳感器對檢測電路中采樣電流進行捕捉，霍爾電流傳感器是基于磁平衡式霍爾原理，通過檢測與原邊電流成比例關(guān)系的磁通量，輸出電壓信號［12］，實現(xiàn)了電—磁—電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換，使采樣值更加穩(wěn)定，不容易受外界影響、誤差小。

（2）針對校驗部分的比較器負端的基準電壓，提出采用TL431元件為比較器提供穩(wěn)定、標準的基準電壓，同時采用高精度的電阻，通過不同的配置可實現(xiàn)2.5V到36V之間任意的基準電壓值。確保了電路的穩(wěn)定性，減小了誤差。

（3）針對漏電保護裝置對漏電保護的非選擇性，設(shè)計針對采煤機的每一個電動機都增加保護電路（圖2），通過繼電器和PLC同時對采煤機電源進行控制并采集每一個電機的漏電信號進行分析處理，增加觸摸屏顯示部分，實現(xiàn)對漏電電機位置的顯示功能，方便工人的檢修，減小工人工作量。

圖2　霍爾元件采樣的漏電保護電路

（4）針對電動機的反電動勢和主電路中變頻器產(chǎn)生的高次諧波對檢測電路產(chǎn)生的影響，增加了雙T帶阻濾波電路、低通濾波電路以及對電網(wǎng)電壓和電機反電動勢的檢測電路（圖3）。

改進后電路原理:考慮到在系統(tǒng)剛通電時，漏電保護裝置反應(yīng)有延時，隨時會對設(shè)備和人員安全造成影響。所以在對系統(tǒng)通電之前，要求必須先對電動機及用電設(shè)備進行漏電檢測。先對PLC及附加直流電源進行供電，PLC系統(tǒng)首先將開關(guān)X和W閉合，使附加直流電源漏電保護電路進行工作，在開關(guān)分閘斷電情況下，檢測負載側(cè)網(wǎng)絡(luò)絕緣電阻是否處于整定值及以下，如檢測出故障則閉鎖開關(guān)使其不能合閘送電，如果檢測到電機絕緣完好，則斷開開關(guān)X和W并發(fā)送信號，要求系統(tǒng)供電。

圖3　增加濾波后的漏電保護電路

當系統(tǒng)通電、電機啟動時，PLC系統(tǒng)接收到電機啟動信號，經(jīng)過短暫延時后將供電回路開關(guān)X和電壓檢測電路開關(guān)Z閉合，通過傳感器采集電壓信號并傳入PLC進行監(jiān)測，當電壓低于設(shè)定值后，斷開開關(guān)Z，閉合漏電保護裝置開關(guān)Y，對電機進行漏電保護監(jiān)測。同時，電路中增加雙T帶阻濾波電路和低通濾波電路，分別濾除電網(wǎng)和變頻器產(chǎn)生的高次諧波，排除高次諧波對采樣信號的干擾。

5　結(jié)束語

通過對漏電保護裝置原理的深入研究，分析了附加直流電源式漏電保護電路存在的問題，并針對問題提出了改進方案，使漏電保護裝置的穩(wěn)定性得到了提高，大大降低了電機及變頻器裝置產(chǎn)生的干擾信號對保護裝置的影響，提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了對采煤機電動機和井下人員安全的及時保護。

［1］國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［2］劉桂同，于風全，初忠全，等.礦井低壓電網(wǎng)漏電保護技術(shù)的新發(fā)展［J］.煤礦開采，2000，5（S1）:92-93.

［3］王永進.基于DSP的漏電保護器的理論研究和設(shè)計［D］.西安:西安科技大學(xué)，2011.

［4］劉明清.漏電保護器的正確使用及故障分析［J］.煤礦開采，2002，7（3）:74-75.

［5］華智明.電力系統(tǒng)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1997.

［6］楊 偉.新型直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察裝置［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2004.

［7］李 楠.重合閘技術(shù)在煤礦井下低壓供電漏電保護中的應(yīng)用［J］.煤礦開采，2009，14（2）:78-79，47.

［8］張玲玲.礦井低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護理論及其應(yīng)用研究［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.

［9］宋建成，翟生勤，范世民，等.礦井低壓電網(wǎng)漏電保護技術(shù)的發(fā)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（10）:7-19.

［10］武予魯.電動機及其綜合保護裝置的工作原理與使用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［11］鄒有名.工礦企業(yè)漏電保護技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［12］盧 敏，鄭建生，張?zhí)嵘?，?一種霍爾電流傳感器的設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2010，18（11）:16-19.

［責任編輯：施紅霞］

Design of Leakage Protection Device of Coal Cutter

TD614.5

B

1006-6225（2016）04-0047-03

2016-01-04

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.012

成 洋（1982-），女，陜西銅川人，碩士，講師，主要研究方向為煤礦供電技術(shù)。

［引用格式］成 洋.采煤機漏電保護裝置的設(shè)計研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：47-49，22.