馬 健

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

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·專題綜述·

煤礦井下低壓電網(wǎng)常見故障防護(hù)技術(shù)研究

馬 健

(西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

針對煤礦井下低壓電網(wǎng)的用電安全性和穩(wěn)定性，分析了井下低壓電網(wǎng)常見的漏電、短路、斷相和過載故障的發(fā)生機(jī)理、危害和防護(hù)措施等，介紹了相應(yīng)故障的檢測手段，并以此為基礎(chǔ)，提出低壓電網(wǎng)用電安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，本文研究內(nèi)容對礦井低壓電網(wǎng)綜合保護(hù)系統(tǒng)的建立具有重要參考意義。

礦井；低壓電網(wǎng)；故障；防護(hù)

近年來，隨著我國煤礦機(jī)械生產(chǎn)能力的提高和先進(jìn)綜采技術(shù)的快速普及，煤炭回采率和礦井的安全性得到大幅提升，同時也對礦井低壓供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、連續(xù)性提出了更高要求。而井下巷道和工作面環(huán)境惡劣，如：高粉塵、高濕度、強(qiáng)震動、含硫腐蝕性介質(zhì)大量分布等，極易引起低壓電網(wǎng)線路絕緣層強(qiáng)度降低，絕緣性能退化。加之機(jī)械和電氣設(shè)備移動頻繁，設(shè)備操作和維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，最終導(dǎo)致線路漏電、斷裂等故障，嚴(yán)重危及井下人身和設(shè)備財產(chǎn)安全[1-3].

我國煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程也對低壓配電網(wǎng)絡(luò)的事故防護(hù)提出了具體要求，并對線路布置、防護(hù)設(shè)備選用等做了規(guī)定，但對于不同井下工況，需進(jìn)行針對性地研究和規(guī)劃。因此，為保證井下低壓供電系統(tǒng)在煤礦采掘和運輸過程中的可靠性，需對該系統(tǒng)常見故障的發(fā)生機(jī)理、危害和防護(hù)技術(shù)等進(jìn)行研究，制定一套集故障監(jiān)測、反饋、預(yù)警于一體的，能有效確保供電系統(tǒng)穩(wěn)定、降低事故發(fā)生率和影響范圍、提高人身和設(shè)備安全的低壓電網(wǎng)故障防護(hù)體系。

1 礦井低壓電網(wǎng)供電方式

我國煤礦常見供電方式包括深井供電和淺井供電兩種，都是通過井上變電所的主變壓器，經(jīng)過電壓調(diào)制后由供電線路送至井下的中央變電所，然后再分別送至位于各采區(qū)變電所，最后再由各變配電設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)將電能輸送到巷道、綜采工作面等處，為設(shè)備運轉(zhuǎn)、通風(fēng)、照明等用電負(fù)荷提供能源[4,5]. 其中，末級變電設(shè)備為位于各采區(qū)的固定或移動式變電所，該設(shè)備一般采用高壓控制開關(guān)、干式變電器、低壓饋電和綜合保護(hù)的三位一體組合方式，雖然已具備了一定的故障防護(hù)能力，但已不適應(yīng)當(dāng)前煤礦井下現(xiàn)代化故障監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，因此有必要對礦井低壓電網(wǎng)常見故障防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究和建設(shè)。

2 煤礦井下低壓電網(wǎng)常見故障及防護(hù)原理

煤礦井下低壓電網(wǎng)常見故障包括漏電、短路、斷相和過載等，其中漏電和短路故障發(fā)生率較高，危害較大，是故障防護(hù)的重點。

2.1 漏電故障及防護(hù)

1) 漏電故障及危害。

對于采用中性點絕緣的礦井低壓電網(wǎng)，其三相電纜中的某一相或幾相對大地的絕緣電阻值降低至某一數(shù)值時認(rèn)為該條線路發(fā)生漏電事故。井下漏電可分為集中性漏電和分散性漏電，前者是指線路中某一位置發(fā)生漏電，而其余位置仍處于較高的對地絕緣的情況，后者是指整條線路的對地絕緣性降低。對于集中性漏電，一旦發(fā)生，絕緣部分將承受較高的電壓，長期作用將導(dǎo)致絕緣層被擊穿，引起短路和火災(zāi)事故，危害顯著。

井下工作空間有限，頂板和側(cè)幫墜物較多，因此電纜絕緣層極易被破損。據(jù)統(tǒng)計，漏電占整個低壓電網(wǎng)事故發(fā)生率的70%～80%，且容易引起次生事故，危害較大。采取切實有效的漏電防護(hù)措施，對于保證井下用電安全性具有重要意義。

2) 漏電事故防護(hù)原理。

漏電事故的防護(hù)采用零序電流方向檢測原理，這是一種針對單一漏電線路的，具有選擇性的漏電保護(hù)方法。其原理是在三相電網(wǎng)中，發(fā)生漏電或人身觸電時，三相對地電壓向量不再對稱，在分支各線路中產(chǎn)生了零序電壓U0和零序電流I0，而流經(jīng)漏電點和人體的電流為各分支電流之和。零序電流分布示意圖見圖1.

圖1 井下漏電事故零序電流分布示意圖

從電流方向看，發(fā)生漏電故障分支線路的電流從分支母線流向大地后，又再次通過漏電位置流回本分支母線；而正常線路的電流從分支母線流向大地后未返回。由此可知，兩者相位相反，相對于母線上的零序電流，發(fā)生漏電的線路的零序電流相位滯后90°，而正常線路相位超前90°.因此，可通過檢測零序電流I0的方向來確定漏電故障發(fā)生支路。

2.2 短路故障及防護(hù)

1) 短路故障及危害。

短路是煤礦井下低壓電網(wǎng)的常見嚴(yán)重故障，一般是指供電系統(tǒng)中相與相、相與地等不等電位的導(dǎo)體之間發(fā)生意外短接的現(xiàn)象。引起短路的原因與漏電故障相似，主要是絕緣層損壞導(dǎo)致的連通。對于三相供電網(wǎng)，可分為單相、兩相和三相短路等3種情況，前兩者發(fā)生時，三相線路中的電流和電壓向量不再對稱，而三相短路時，以上參數(shù)仍然對稱。

當(dāng)發(fā)生短路故障時，由于通路電阻值減小，電流由正常值突然增大，線路發(fā)熱加劇，阻抗增大，因此經(jīng)過一段陡增的瞬態(tài)過程后，電流逐漸趨于新的穩(wěn)定，但仍處于較高水平，極易誘發(fā)火災(zāi)。

2) 短路故障防護(hù)原理。

井下常見型號電機(jī)在啟動瞬間的電流為其工作額定電流的4～8倍，并且隨著供電線路的延長和用電負(fù)載的增多，電機(jī)啟動產(chǎn)生的瞬間電流值與短路電流比較接近，因此采用傳統(tǒng)的幅值比較的方法已難以辨認(rèn)。但是，井下電機(jī)的電感值較大，因此在啟動瞬間的功率因素cosφ僅為0.3～0.5；而短路線路由于電感值極低，其功率因素接近1，因此兩者對比明顯，這就是相敏檢測原理，可作為短路故障的判定依據(jù)，相敏檢測判斷短路故障圖見圖2.

圖2 相敏檢測原理判斷短路故障圖

實際生產(chǎn)中，可將幅值檢測與功率因素檢測相結(jié)合，即將電流值與功率因素的乘積(I·cosφ)作為短路故障保護(hù)的啟動參數(shù)，由此可提高檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性，有效防范短路危害。

2.3 斷相故障及防護(hù)

1) 斷相故障及危害。

斷相是指三相供電線路的其中一相斷開，此時電機(jī)仍可運轉(zhuǎn)，但處于非正常工作狀態(tài)。斷相原因一般分兩類：a) 因墜物等故障導(dǎo)致單相線路損壞折斷，發(fā)生概率較小。b) 對于安裝有短路保護(hù)熔斷器的電網(wǎng)，發(fā)生短路時其中一相的保險絲發(fā)生熔斷，從而導(dǎo)致斷相。

斷相事故發(fā)生后，該相的電流變?yōu)榱?，其余兩相電流相等，方向相反，電網(wǎng)中出現(xiàn)負(fù)序電流，電流幅值增大至原值的1.732倍，導(dǎo)致電機(jī)過負(fù)荷，電機(jī)發(fā)熱加劇，甚至燒毀。

2) 斷相故障防護(hù)原理。

正常三相電網(wǎng)中，各相電流向量對稱，因此線路中只有正序分量。而斷相故障發(fā)生后，對稱性被打破，在電路中產(chǎn)生了負(fù)序電流，因此采用負(fù)序檢測原理可及時發(fā)現(xiàn)斷相故障，便于及時修復(fù)。

2.4 過載故障及防護(hù)

1) 過載故障及危害。

當(dāng)井下負(fù)載增多、負(fù)荷增大、電壓升高時，輸電線路、變壓器和電機(jī)等設(shè)備中的電流值將增大，高于其額定電流，此時電網(wǎng)負(fù)荷過載。一般情況下，程度較輕、短時的過載故障導(dǎo)致的設(shè)備溫升較小，對用電安全威脅較小，因此允許采用一定程度的延時跳閘保護(hù)措施；但嚴(yán)重過載故障將導(dǎo)致電線和電機(jī)等設(shè)備嚴(yán)重發(fā)熱，引起設(shè)備燒損和火災(zāi)事故，因此要求快速跳閘保護(hù)。

2) 過載故障防護(hù)及檢測原理。

與短路相比，過載電流相對較小，區(qū)別明顯；而與斷相故障相比，兩者增大電流值相差不大，因此單純依靠電流檢測無法判斷過載故障。實際上，過載與斷相的差別在于，斷相后的電流相位不再對稱，而過載電流相位不變，所以可結(jié)合相位和電流檢測兩種手段進(jìn)行過載判定，然后根據(jù)過載電流大小決定延時保護(hù)時間。

3 煤礦井下低壓電網(wǎng)事故防護(hù)技術(shù)應(yīng)用

在對井下低壓電網(wǎng)常見故障發(fā)生原理、危害和防護(hù)方法進(jìn)行研究基礎(chǔ)上，有必要將各種用電安全檢測數(shù)據(jù)納入礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)對低壓電網(wǎng)故障的實時監(jiān)控和預(yù)警。其中，數(shù)據(jù)檢測和控制以井下電氣PLC系統(tǒng)為核心，傳輸網(wǎng)絡(luò)并入井下采煤設(shè)備監(jiān)控主干網(wǎng)，井上PC端軟件模塊可對整體電網(wǎng)的用電安全進(jìn)行宏觀監(jiān)控。

針對漏電、短路、斷相和過載等故障，其監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖3. 其中，信號采樣單元主要負(fù)責(zé)電壓、電流、負(fù)序信號、相敏信號等模擬量的采集、整理和基本邏輯判斷，PLC邏輯處理單元負(fù)責(zé)信號的轉(zhuǎn)化、計算、定時和高級邏輯判斷，PC端軟件則以畫面等形式顯示運行狀態(tài)和報警信息。

圖3 井下低壓電網(wǎng)事故監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 結(jié) 論

針對煤礦井下低壓電網(wǎng)的用電安全性和穩(wěn)定性，本文首先對井下低壓電網(wǎng)常見的漏電、短路、斷相和過載故障的發(fā)生機(jī)理、危害和防護(hù)措施等進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)故障的檢測手段，并以此為基礎(chǔ)將各種用電安全檢測數(shù)據(jù)納入到礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)對低壓電網(wǎng)故障的實時監(jiān)控和預(yù)警。本文研究內(nèi)容對礦井低壓電網(wǎng)綜合保護(hù)系統(tǒng)的建立具有重要參考意義。

[1] 張延杰.煤礦井下低壓漏電故障排查[J].礦業(yè)裝備，2014(3)：76-77.

[2] 李 鵬.煤礦井下低壓供電系統(tǒng)漏電故障的分析與處理[J].煤礦機(jī)電，2016(4)：68-69,73.

[3] 鄧建忠,楊旭彬,侯旭斌.煤礦電纜常見故障查找實踐[J].煤,2015(12):41-42，71.

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

[5] 劉東曉,王 廣.平煤集團(tuán)六礦低壓饋電開關(guān)系列化改造[J].煤礦機(jī)械,2009,30(4)：136-138.

Study on Protection Technology of Common Fault of Underground Low Voltage Power Network

MA Jian

In view of the safety and stability of low-voltage power network in coal mine, firstly studies the mechanism, harm and protection measures of leakage, short circuit, phase failure and overload fault in underground low voltage power network. Analyzes the construction method of low-voltage power grid safety monitoring network, and the content of this paper is of great reference significance to the establishment of integrated protection system for mine low voltage power network.

Coal mine; Low voltage power network; Fault; Protection

2017-02-10

馬 健(1982—)，男，河北阜城人，2007年畢業(yè)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)電方面的技術(shù)工作

(E-mail)592652621@qq.com

TD611

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1672-0652(2017)04-0048-03