一种矿用漏电保护器的设计

  引言

在矿井电网中，井下的环境恶劣和漏电故障的频繁发生均可引起井下电气火灾、瓦斯煤尘爆炸、电雷管提前引爆等重大事故，这就要求供电设备必须装设漏电保护装置。本文在综合分析了矿井供电系统的基础上，对矿井低压电网的漏电保护进行了研究。

由于附加直流源的检测方法无选择性，不易寻找故障点，而且会导致整个工作面停电。而零序功率选择性漏电保护方法则可克服这一缺点。因为，在总开关上使用时，如果总线路发生漏电故障，则整个工作面都停止供电；而在分开关上采用时，当供电支路上发生漏电故障时，就只对该支路停止供电，其他支路正常工作。本文即以两分支的电网系统为例来介绍该漏电保护器的软硬件实现方案。

1 检测原理及方法

1．1 附加直流源的漏电检测

电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻的下降。因此，可以在三相电网中附加一个独立的直流电源，使之作用于三相电网与大地之间。这样，在三相对地的绝缘电阻上将有直流电流流通。有效检测该电流大小的变化，就能直接反应电网对地绝缘电阻的变化。因此，有效检测和利用该电流，就可以构成附加直流检测式漏电保护。图1所示是其附加直流源电路，其中，附加直流电源的检测通道依次为：直流电源正端、Rs、大地、电网绝缘电阻、三相电网、三相电抗器、R、直流电源负端。

其系统中的检测电流I可由式(1)求得：

式中，R(L)为三相电抗器每相线圈的直流电阻，RE为接地电阻，r∑为三相电网对地的总绝缘电阻(r∑=r／3)。
事实上，式(1)中，仅r∑为变量，因此，检测电流I就可直接反应电网的绝缘情况。取样电阻上的电压为：

三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算：

电网正常运行时，根据式(3)可实现对电网绝缘电阻的连续监测。当人身触电或发生漏电故障使r达到装置动作设定值时，电路可迅速将电源切除。另外，即使电网的绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障现象检测出来，这是附加直流电源漏电保护的一大优点。对于总馈电开关而言，它已经能满足漏电保护的要求。但是，利用附加直流电源实现的漏电保护装置不具备选择性，当电网中发生漏电故障时，该装置都会无选择性地动作。

1．2 零序功率选择性漏电保护原理

选择性漏电保护是利用零序电压与零序电流的相位判别原理来完成的。当电网某一相发生漏电时，故障支路的零序电流与非故障支路的零序电流相位相反，相对零序电压而言，故障支路零序电流滞后90度，而非故障之路零序电流则超前90度。其相位图如图2所示。

本文所采用的方法是将零序电压相位向后移90度，以使故障支路的零序电流信号与移相后的电压信号同相，而非故障支路的零序电流与移相后的电压信号则反相。由此可见，根据零序电压和零序电流的方向，即可判断出故障支路，从而采用保护措施。

2 硬件设计

本文以二分支井下电网为例来进行说明。其电网结构图如图3所示。本方案在总开关中使用附加直流源原理，而在分支1和分支2中均采用选择性漏电保护原理来对开关进行保护。


2．1 附加直流源漏电保护设计

图1中，附加直流源的输出信号为U1，将U1的值通过线性光耦以及调理电路后送入AD采样，再通过单片机对其电压大小进行判断，这样，当发生漏电时，绝缘电阻降低，U1的值增大，从而可根据U1的值来判断是否漏电。

2．2 选择性漏电保护设计

矿用低压馈电开关的选择性漏电保护是指当矿井低压电网中某条支路的某一相发生人身触电、单相对地放电或单相对地漏电流时，系统及时检测出漏电故障并作用于跳闸，从而有选择性地切断故障线路，但仍可保证非故障线路安全运行的保护设施。

图4所示为零序功率方向式选择性漏电保护系统的原理示意图。当电网漏电时，可由取样电路分别从电网中取出零序电压信号和零序电流信号，然后经放大整形，再由过零比较电路来判断故障支路，最后启动执行电路，以切断故障支路的电源，实现有选择性的漏电保护。零序功率方向式选择性漏电保护方式具有很强的横向选择性，可以选择性地进行漏电保护。

3 软件设计

软件系统可用于实现对主开关和分开关的选择。它通过单片机控制外部电路，以便在主漏电电路和分漏电电路之间进行切换，从而在一套系统上兼容主开关和分开关功能，同时可发出漏电故障报警并控制显示电路。其系统软件设计流程图如图5所示。

系统上电后，软件可首先对其进行初始化，以完成一些标志位的清零和单片机的初始化；接下来对开关状态进行判断，只有在开关出于合闸状态时，系统才进行漏电检测，然后判断是主开关还是分开关，以便根据不同的开关调用不同的漏电子程序，一旦系统发生漏电故障，则发出分闸动作信号，并控制外部开关，立即切断电网供电。