煤矿井下低压电网的过电流保护

【摘要】由于煤矿工作环境的特殊性，在其工作面所运用最多的就是低压电网，但是由于由于种种原因，在低压电网发挥作用的时候常常会出现过流现象或者漏电现象，这对设备正常运行造成了影响，并且在一定的情况下回影响工人们的安全。

【关键词】煤矿；低压电网；过流保护

中图分类号：X752文献标识码： A

一、前言

为了分析煤矿井下低压电网的过电流保护，本文就煤矿井下低压电网保护类型、煤矿供电系统的建设以及过流保护硬件电路设计进行讨论。

二、煤矿井下低压电网保护类型

1、过流保护

过电流是指实际通过电气设备或电缆的工作电流超过了额定电流值。引起过流的主要原因有短路、过载和电动机单相运转等，因此过流保护通常包括短路保护、过负荷保护、断相保护等。目前，煤矿井下低压电网使用的过流保护装置主要有熔断器、过流继电器、热继电器及综合保护装置等。过流保护装置在保护中应满足四个要求：

（1）选择性，只切除故障部分，而其余非故障部分则继续运行。

（2）可靠性，不拒动，不误动。

（3）动作迅速，在故障情况下保护装置迅速动作并切断其供电

电源，以免事故进一步扩大。

（4）动作灵敏，保护装置应满足灵敏度的要求。短路保护、过载保护和断相保护都属于过流保护，但是有本质的区别。短路保护的动作时间要短，其动作值设定较大，过载保护和断相保护按反时限延时动作，动作时间与过载电流的大小有关，其动作值设定小于短路保护的动作值。煤矿目前使用的过流保护装置中熔断器只能做电机短路保护，各种继电器必须与接触器或脱扣器配合实现过流保护，其中热继电器只适用于做过载保护和断相保

护，而电子继电器具有功能完善、保护齐全、灵敏可靠等优点，特别是计算机技术的发展，用单片机集成电路取代分立电子元件电路使其优点更为突出，在矿井供电控制中得到广泛运用。

2、漏电保护

矿井生产与其它工程相比具有明显特殊性，受生产环境影响，设备与线路经常会出现故障，导致矿井生产不能顺利进行。电网是矿井生产的重要保障，同时也是安全生产管理的重要影响因素之一，因为生产环境特殊，在管理上具有更大难度，一旦管理不当极有可能会出现漏电而导致人身伤亡。矿井低压漏电造成的影响主要可分为三方面：a)爆炸事故。在矿井生产尤其是煤矿生产中，巷道内含有一定浓度的瓦斯与煤尘，如果发生低压电网漏电，火花与瓦斯接触，很有可能会引发爆炸；b)触电事故。如果矿井内发生低压漏电事故，最为常见的就是人身触电事故，很多低压漏电发生时工作人员并不知情，这样即便是按照规范操作也会存在很大触电威胁，情况严重的甚至会出现伤亡；c)设备影响。一般情况下矿井低压漏电事故是因为设备内部烧损，例如电线电缆损坏、断裂等，此种情况的漏电往往还会伴随着电路短路，很容易就会造成某些元件被烧毁，整个生产系统无法正常运转，降低生产效率。井下低压电网漏电保护系统设计原则

（一）安全性原则

安全性原则是矿井下低压漏电保护系统设计应遵循的首要原则，主要从保证工作人员安全出发，确定漏电发生的各种可能性，全面分析漏电保护措施要点，结合矿井生产实际情况，采取合理措施，保证工作人员在使用保护设备时的人身安全，保证设备能正常运行，降低漏造成的不安全事故。

（二）可靠性原则

可靠性原则即在对故障点采取保护措施的基础上，缩小了漏电故障造成的影响范围。基于可靠性原则来设计井下低压漏电保护系统，可更及时准确地确定漏电事故发生的地点，只对故障点采取相应措施，而不会对正常运行的设备元件造成任何影响，确保漏电保护系统积极、有效地作用于故障点，维持电网正常运行。

（三）选择性原则

选择性原则以矿井下低压电网漏电保护为根本，通过横向与纵向选择来进行设计，横向选择性即一旦同一个层面设备运行出现故障，漏电保护系统可以及时采取相应保护动作，以免设备受到损伤。而纵向选择性则是以上下级启动器与保护器作为执行依据，当下级启动器对故障点进行处理后，保护器将不会再对其采取保护动作，如果两者共同运行，就会发生越级跳闸现象。

3、接地保护

（一）保护接地网的作用

保护接地对保证人身触电安全是非常重要的，由于接地电阻与人体构成并联电路，通过接地装置的有效分流作用，就可以把流经人身的触电电流降低到安全值以内，减少触电的危险。此外，由于装设了保护接地装置，带电导体碰壳处的漏电电流经接地装置的分流作用大部分流入大地，当设备外壳与大地接触不良而出现的电火花时，电火花的能量也大为减少，使瓦斯、煤尘爆炸的危险减少。

（二）接地装置的安装

主接地极、局部接地极、电气设备的接地、接地线的连接应按《矿井保护接地装置的安装、检查、测定工作细则》和《煤矿井下检漏继电器安装、运行、维护与检修细则》的规定执行。

（三）接地装置的检查与测定

对井下接地装置要按照规定做好定时检查并做好记录，井下接地系统的接地电阻必须按时测定，要满足《煤矿安全规程》的规定。接地网上任一保护接地点的接地电阻值不超过2Ω。每一移动式和手持式电气设备至局部接地极之间的保护接地用的电缆芯线和接地连接导线的电阻值不超过1Ω，不满足时必须查找原因，达到要求。

三、煤矿供电系统的建设

1、煤矿井下低压供电系统推广分级闭锁专利技术和选择性断电技术的必要性

目前，我国煤矿井下低压供电系统及装备比较落后，供电系统不完善、供电设备严重老化、超期服役、故障率较高。因此，必须在我国煤矿井下低压供电系统中大力推广分级闭锁专利技术和选择性断电技术的高可靠性低压供电系统，此系统明文规定对于660V/380V供电系统的中小型煤矿，如果没有实现风电瓦斯闭锁的供电系统，严禁使用单台分级闭锁启动器带风机设备。对于具有选择性漏电保护的低压供电系统，可使用分级闭锁设备，实现选择性断电功能，从而提高整个供电系统的可靠性。对于1140V供电系统主要设备具有监测系统联网通讯功能，可实时监测设备的各种状态，这些功能是现有系统不具备的。该技术的推广使用，彻底杜绝了违章开盖作业产生电火花的现象，避免了人身触电伤亡事故和重大瓦斯爆炸事故，极大地提高了矿井低压供电系统整体防爆水平。

2、煤矿井下低压供电系统面临的问题分析

（一）低压防爆电器本身性能存在缺陷

在煤矿井下的电器装置中，低压防爆电器属于必须具备的装置，它要求实时地更换、维修、检查等，因为之前煤矿企业一直应用陈旧的防爆结构，它的主腔结构是机械闭锁，接线腔没有机械电气闭锁的结构。

（二）供电系统未能够进行及时地监控和监测

因为煤矿生产环境和条件的复杂化，要求对低压供电系统实施电网监控，然而，在煤矿企业常常缺少供电系统当中的监控装置以及系统，控制地面的工作者难以对供电装置的情况进行有效地控制，进而导致一定的安全隐患。

（三）非阻燃电缆的过度应用

在矿井低压供电系统当中，供电电缆属于非常脆弱的一部分，因为煤矿采掘条件的制约，电缆在采掘的时候往往会弯曲与移动，这导致过载负荷与短路的出现，在实际生产的时候要求应用专门的阻燃电缆，从而使煤矿供电的稳定性提高，除此之外，在煤矿进行生产的时候，低压供电系统监控装置根据生产关系实施生产保护的电网控制，低压供电技术担负着监控、检测电网的职责，其特点是稳定性强、便于操作、应用普遍，以及适应性强。

3、选择性漏电保护在中性点接地中的应用

选择性漏电保护主要是为了实现煤矿井下供电系统出现故障时，电路能够根据预先设定的程序来自主选择安全可靠的供电线路来进行运行，实现供电系统平稳安全运行的目的。我国煤矿企业井下供电系统一般选择中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地方式来防止整个供电系统发生漏电电流，从而降低煤矿企业煤炭资源开采过程中所面对的风险系数。中性点不接地系统可以采用现有漏电保护装置来实现防漏电目的，技术已经成熟，因此，本次研究所选取的选择性漏电保护主要是以中性点经消弧线圈接地方式来作为研究对象，分析该接地方式如何使用选择性漏电保护装置来提高生产安全性。之所以中性点经消弧线圈接地方式不能采取现有选择性漏电保护装置进行应用，其主要原因就在于弧线圈感性电流值补偿了单相接地故障时的容性电流，在此种情况下，煤矿井下供电系统漏电电流值将会明显低于非故障线路的电流值，同时其过补偿时电流方向与非故障电流方向相吻合，从而干扰了现有选择性漏电保护装置的正常运转，使之无法起到防止供电系统漏电的目的。现有科学技术平下，中性点经消弧线圈接地方式所采取的选择性漏电保护应用主要是从以下两方面来进行（1）相位选择。漏电保护应用必须确定其要保护的供电系统相位，同时还需要明确整个供电线路中哪几条线路电流较大，继而确定漏电保护对象及排序。其主要检测及应用手段为谐波电流采样方法。（2）故障线路的选择。应用5次谐波电流采样排序来明确故障线路最大漏电电流值，同时选择性漏电保护要想实现选择性，就需要将电流采样设置成与非故障线路相反方向。

4、加强对漏电和过流的检测

运行中漏电监测和保护利用3个整流二级管构成了电网运行中的漏电监测和保护装置，其原理如图所示。3个整流管Da，Db，Dc分别接到电网的三相上，另一端连接在一起，并经负载采样电阻RL接地，通过三地绝缘电阻回到电网。回路电流的大小直接反应了电网对地的绝缘状况，利用检测回路电流的大小，可以形成漏电保护。

5、提升低压保护装置灵敏度的策略

煤矿井下采用的漏电保护装置，其零序电压与漏电电阻、电网电压等都具有一定关系，故障发生时，受到电容和系统电压的影响，使动作时间存在误差，且误差较大，即使将分馈、总馈电装置之间的动作关系进行调整，也无法避免系统电容的变化，因此，当漏电发生时，通常会出现分路开关不动作的现象。动作时间是衡量漏电保护的一项重要内容，因此，要对漏电保护装置中的动作时间进行合理设置。分馈电装置保护动作时间的设置不得大于50ms，总馈电装置设置为250ms。智能型馈电装置能够满足灵敏动作要求，只需对系统电容做出部分修改。

四、过流保护硬件电路设计

为了消除煤矿井下生产对生命安全的威胁，实现井下低压电网漏电的监测和保护，本文设计了以C8051F410为控制核心的低压漏电监控系统，本系统充分利用了计算机在数据处理的庞大优势，实现了井下低压远距离供电电网的监控和保护集电信号采集、信号处理、模数转换、执行机构实施、液晶显示等功能于一体，实现了远距离低压供电的监测和保护。

1、主控单片机

本系统采用的是C8051F410单片机为主控制器，C8051F410单片机由Silicon

公司推出，具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达50MIPS）；多达24个端口I/O口；真正12位200Ksps的24通道ADC,带模拟多路器；2个12位电流输出DAC；片内上点复位、VDD监视器和温度传感器；精确校准的24.5MHz内部振荡器；多达32KB的片内FLASH存储器；多达2304字节片内RAM。由于C8051F410本身集成众多硬件电路,使得系统的硬件结构简单,集成度高,可靠性好。

2、数据采集系统

数据采集系统包括三相交流采样、低通滤波、采样保持、多路转换开关和A/D等功能模块。数据采集同时对三相信号进行采样和处理，并经多路开关对各个通道分别进行转换。

3、过流检测方式

过流检测电路通过开关对过流保护检测回路进行转换。送电前，通过监测采样电阻的电压值是否正常，如果正常进行送电。送电后通过对整个供电电路进行监测，通过检测回路电流来判断整个系统是否正常。采样电压和采样电流信号将信号直接送往数据采集模块。本系统的漏电保护通过设置了电压跟随电路，以便消除电网电压波动对漏电动作值的影响。

4、执行机构模块

电网发生的各类故障，在达到动作值或动作时限时，单片机使P2.7口输出高电平，经8550三极管驱动中间继电器，最后作用与断路器跳闸，切断故障源，同时用扬声器加以提示。为实时了解电网的运行状态，检测运行参数变化情况，确定故障原因，从煤矿井下的实际需求出发，设计了LCD液晶显示，实现了对工作电流、绝缘电阻等参数的定量测量与轮流数字显示。在低压电网正常工作时，动态显示电网相电流值和对地绝缘电阻值，当电网发生故障时，便显示短路电流和故障时的电网对地绝缘电阻值。

5、系统的软件方案设计

本系统的软件主要由主程序、中断程序、LCD液晶显示程序、故障处理程序、采样数据计算程序等模块组成，系统正常工作时执行主程序模块，在主程序执行过程中，单片机每一个采样时间间隔发出一个中断，执行采样中断服务子程序，并根据采样值来判断回路电流是否变化，从而判断继电器否动作。若没动作返回主程序，如果达到动作值则启动继电器动作，程序转向故障处理子程序。

五、结束语

本文对煤矿井下低压电网的过流保护进行了简要分析，希望本文的论述能够对同行起到一定的参考作用。

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