0 引言
在礦井電網(wǎng)中，井下的環(huán)境惡劣和漏電故障的頻繁發(fā)生均可引起井下電氣火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸、電雷管提前引爆等重大事故，這就要求供電設(shè)備必須裝設(shè)漏電保護裝置。本文在綜合分析了礦井供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對礦井低壓電網(wǎng)的漏電保護進行了研究。
由于附加直流源的檢測方法無選擇性，不易尋找故障點，而且會導(dǎo)致整個工作面停電。而零序功率選擇性漏電保護方法則可克服這一缺點。因為，在總開關(guān)上使用時，如果總線路發(fā)生漏電故障，則整個工作面都停止供電；而在分開關(guān)上采用時，當(dāng)供電支路上發(fā)生漏電故障時，就只對該支路停止供電，其他支路正常工作。本文即以兩分支的電網(wǎng)系統(tǒng)為例來介紹該漏電保護器的軟硬件實現(xiàn)方案。
1 檢測原理及方法
1．1 附加直流源的漏電檢測
電網(wǎng)若發(fā)生漏電故障，最容易檢測到的是電網(wǎng)各相對地絕緣電阻的下降。因此，可以在三相電網(wǎng)中附加一個獨立的直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)與大地之間。這樣，在三相對地的絕緣電阻上將有直流電流流通。有效檢測該電流大小的變化，就能直接反應(yīng)電網(wǎng)對地絕緣電阻的變化。因此，有效檢測和利用該電流，就可以構(gòu)成附加直流檢測式漏電保護。圖1所示是其附加直流源電路，其中，附加直流電源的檢測通
道依次為：直流電源正端、Rs、大地、電網(wǎng)絕緣電阻、三相電網(wǎng)、三相電抗器、R、直流電源負端。
其系統(tǒng)中的檢測電流I可由式(1)求得：
式中，R(L)為三相電抗器每相線圈的直流電阻，RE為接地電阻，r∑為三相電網(wǎng)對地的總絕緣電阻(r∑=r／3)。
事實上，式(1)中，僅r∑為變量，因此，檢測電流I就可直接反應(yīng)電網(wǎng)的絕緣情況。取樣電阻上的電壓為：
三相電網(wǎng)對地的總絕緣電阻可由下式計算：
電網(wǎng)正常運行時，根據(jù)式(3)可實現(xiàn)對電網(wǎng)絕緣電阻的連續(xù)監(jiān)測。當(dāng)人身觸電或發(fā)生漏電故障使r達到裝置動作設(shè)定值時，電路可迅速將電源切除。另外，即使電網(wǎng)的絕緣電阻均勻下降，仍可將此故障現(xiàn)象檢測出來，這是附加直流電源漏電保護的一大優(yōu)點。對于總饋電開關(guān)而言，它已經(jīng)能滿足漏電保護的要求。但是，利用附加直流電源實現(xiàn)的漏電保護裝置不具備選擇性，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生漏電故障時，該裝置都會無選擇性地動作。
1．2 零序功率選擇性漏電保護原理
選擇性漏電保護是利用零序電壓與零序電流的相位判別原理來完成的。當(dāng)電網(wǎng)某一相發(fā)生漏電時，故障支路的零序電流與非故障支路的零序電流相位相反，相對零序電壓而言，故障支路零序電流滯后90度，而非故障之路零序電流則超前90度。其相位圖如圖2所示。
本文所采用的方法是將零序電壓相位向后移90度，以使故障支路的零序電流信號與移相后的電壓信號同相，而非故障支路的零序電流與移相后的電壓信號則反相。由此可見，根據(jù)零序電壓和零序電流的方向，即可判斷出故障支路，從而采用保護措施。
2 硬件設(shè)計
本文以二分支井下電網(wǎng)為例來進行說明。其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本方案在總開關(guān)中使用附加直流源原理，而在分支1和分支2中均采用選擇性漏電保護原理來對開關(guān)進行保護。
2．1 附加直流源漏電保護設(shè)計
圖1中，附加直流源的輸出信號為U1，將U1的值通過線性光耦以及調(diào)理電路后送入AD采樣，再通過單片機對其電壓大小進行判斷，這樣，當(dāng)發(fā)生漏電時，絕緣電阻降低，U1的值增大，從而可根據(jù)U1的值來判斷是否漏電。
2．2 選擇性漏電保護設(shè)計
礦用低壓饋電開關(guān)的選擇性漏電保護是指當(dāng)?shù)V井低壓電網(wǎng)中某條支路的某一相發(fā)生人身觸電、單相對地放電或單相對地漏電流時，系統(tǒng)及時檢測出漏電故障并作用于跳閘，從而有選擇性地切斷故障線路，但仍可保證非故障線路安全運行的保護設(shè)施。
圖4所示為零序功率方向式選擇性漏電保護系統(tǒng)的原理示意圖。當(dāng)電網(wǎng)漏電時，可由取樣電路分別從電網(wǎng)中取出零序電壓信號和零序電流信號，然后經(jīng)放大整形，再由過零比較電路來判斷故障支路，最后啟動執(zhí)行電路，以切斷故障支路的電源，實現(xiàn)有選擇性的漏電保護。零序功率方向式選擇性漏電保護方式具有很強的橫向選擇性，可以選擇性地進行漏電保護。
3 軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)可用于實現(xiàn)對主開關(guān)和分開關(guān)的選擇。它通過單片機控制外部電路，以便在主漏電電路和分漏電電路之間進行切換，從而在一套系統(tǒng)上兼容主開關(guān)和分開關(guān)功能，同時可發(fā)出漏電故障報警并控制顯示電路。其系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。
系統(tǒng)上電后，軟件可首先對其進行初始化，以完成一些標志位的清零和單片機的初始化；接下來對開關(guān)狀態(tài)進行判斷，只有在開關(guān)出于合閘狀態(tài)時，系統(tǒng)才進行漏電檢測，然后判斷是主開關(guān)還是分開關(guān)，以便根據(jù)不同的開關(guān)調(diào)用不同的漏電子程序，一旦系統(tǒng)發(fā)生漏電故障，則發(fā)出分閘動作信號，并控制外部開關(guān)，立即切斷電網(wǎng)供電。
4 結(jié)束語
本文提出了一種基于附加直流源檢測原理和零序功率選擇性漏電保護原理的礦用漏電保護器的設(shè)計方法，該方法達到了漏電保護的準確性和可靠性要求。事實上，目前的方法還有旁路接地式、無附加電源直流檢測式等類型。設(shè)計時可以研究各式方法，以便取長補短，從而更好地保護礦井下的饋電安全。