自适应的煤矿动力电缆漏电检测方法研究

摘要：目前，为了保证煤矿井下源源不断地有电流输入，煤矿工人往往会在井下布置电网。在整个电网中，动力电缆承担着输送电能的作用。但是，由于矿井下往往有各种不利的环境因素，这些因素极可能导致动力电缆发生漏电的情况。而电缆的漏电会在短时间导致电缆短路，甚至产生煤尘爆炸或者瓦斯爆炸的严重后果。因此，本文将研究一套检测电缆是否漏电的有效方法。

关键词：煤矿；漏电；自适应；动力电缆；检测方法

中图分类号： X752 文献标识码： A

引言：现实中，矿井下时常出现电缆漏电的情况。由于电缆漏电最终可能引发煤尘或者瓦斯爆炸的严重后果，所以煤矿工人往往很重视漏电的保护。目前，漏电保护工程是一项较为复杂的工程。因此，本文将针对电缆漏电的不良现状，提出一套自适应的保护方案。同时，本文将搭建一套完善的仿真系统来实际检测电缆是否有漏电情况的发生。

1、当下电缆漏电检测方法存在的缺陷

目前，各家煤矿企业都会在煤矿井下布置一套供电系统。在这套供电系统中，接地的方法无非有以下三种：一是高阻接地的方法；二是完全不接地的方法；三是经消弧线圈的方法。尤其是经消弧线圈这种接地方法更是被广大煤矿企业所采用。当前，煤矿企业在对煤矿井下做漏电保护的时候，通常会利用功率保护或者电流保护这两种方法中的一种。但是，无论是哪一种保护方法都不大适应经消弧线圈这种接地方法。因此，本文将针对漏电保护的缺陷，提出一套自适应的保护方案，并搭建一套完善的仿真系统来实际检测漏电的情况[1]。

2、自适应的漏电保护方案

2.1消弧线圈金属性单相接地分析

根据我国的实际情况得知，目前我国的煤矿井下的供电方式绝大多数采用的是中性点消弧线圈接地方式，其中最为典型的是10kv放射式动力电缆供电系统，如图1所示：

图1 矿井10kv供电系统

我们不妨假设如果系统中的第3条支路出现单相接地的情况，那么我们可得知系统中的非故障支路的零序电流都会朝着故障点流向，则第2条故障支路零序电流就等于其他没有出现故障支路的电流之和，那么进一步的得到故障电流Id=I0+I1+I2+I3+IL=jU0（3wC∑-1/（wL）），其中w为角频率，C∑为电容和，U0线路相电压[2]。

如果当3wC∑和1/（wL）相等时，即IL和I C∑是相同的，即就是我们所说的完全补偿，处于完全补偿时如果直接熄灭电弧则有利于整个供电系统，但是在该时如果出现一相断线或者是电容不全部相同则极有可能引起串联谐振，那么就会直接导致中性点出现高电位，这对系统将带来极大的危险，所以通常都不采取完全补偿。除了上述情况还有当3wC∑大于1/（wL）和当3wC∑小于1/（wL），前者为过补偿，后者为欠补偿，过补偿的缺陷在于我们无法利用功率方向来判断故障电路，并且过补偿不大时，我们也很难利用电流大小来查找故障线路，后者的故障线路和非故障线路零序电流的方向正好相反，所以在此时我们就可以利用零序功率方向保护原理来进行漏电保护，让消弧线圈处于欠补偿状态并随着系统电容的变化而变化，那么能够保证供电系统能够保持一个较好的状态，能够有效的提高漏电保护的可靠性与灵敏性[3]。

2.2确定消弧线圈补偿抽头

通过实践得知，当供电系统的电容出现变化时，调节消弧线圈抽头来改变电感值，会出现一个电流变化较大的情况，即非故障支路零序电流变化比较小，而接地故障线路零序电流变化较大。如果这时消弧线圈处于了欠补偿的状态，一旦出现单相接地故障，上述也提到故障线路和非故障线路零序电流的方向正好相反，这时利用零序功率方向保护原理来进行漏电保护对系统创造出一个有利的环境。根据这一特点，我国对于煤矿井下供电也做出了一定的规定，即井下供电系统出现单相接地并且电流超过了20A，则必须要采取针对的措施将电流控制在20A以下，所以我们调节消弧线圈抽头用以改变电感值，从而将电流控制在20A以下，并将消弧线圈补偿电流分成了5个档位，即我们常见的6、16、26、36、46A补偿档位[4]。

2.3环境自适应修正方法

众所周知，环境因素对于电流的影响极大，如线路运行的温度和湿度，而煤矿井下的线路运行环境极差，导致线路中的一些参数会出现较大的变化，如分布电容、对地电阻等，这些不确定的参数变化对漏电保护产出了极大的影响，如果能够根据井下的环境进行漏电保护调整，则对系统的运行有极大的帮助，如表1是某煤矿井下的温度和湿度的修正系数。

表1 温度和湿度修正系数

3、Matlab仿真检测

以下就简单的说明一下Matlab 7对煤矿井下的电网漏电保护方案进行仿真，在Matlab和Simulink的环境下利用电力系统工具建立起仿真的模型。

3.1仿真系统模型搭建

利用上述的工具建立起仿真系统模型，其中的电源采用的是Three-phase source模型，设置输出的电压为10.5kv，模型中的内部接线方式选择Y形联结，线路选择的Line1-Line3，所有线路都为Three-phase PI Section Line，线路的负荷采用的是Three-phase Series RLC Load模型，负荷的选择为2、1、0.2MW，模型中的所有线路开始端都设置起Three-phase V-I Measurement三相电流与电压测量模块。由于本文主要采用的是欠补偿的方式，如果是完全补偿方式，我们可以计算出完全补偿时的电感，然后对仿真模型进行调试，最终选择出消弧线圈电感设置的值[5]。

3.2漏电保护系统仿真

当仿真系统的模型建立好后，对模型中的各参数先设置好，再选择出仿真时间0.4s，最后启动仿真模型即可，通过仿真模型的仿真，利用示波器观察仿真模型在不同条件下得到的零序电压和零序电流波形，并采用正确格式进行记录，以方便对线路的检测和判断。

我们将仿真系统中的第3条条线路的A相短路接地，将故障设置的时间为0.04s开始，再点击仿真按钮，则会在示波器中得到以下的波形图：

图2 仿真的电流电压波形图

从上可以看出，我们选择的第三条故障线路的波形出现了较大的改变，并且其相位也和没有故障的线路有较为明显的差异[6]。我们将仿真得到的零序电流和零序电压载入到漏电保护分析程序当中，漏电保护分析程度经过判断后，得出了以下的结论：

图3 分析程序判断结果

通过仿真结果得知，采用的欠补偿方式对于线路的检测能够较为准确的分析出发生故障的线路，并且判断的时间较短，能够快速的给人员提供检测的数据和依据，所以选择欠补偿漏电保护方式是较为科学的方式。

4、结束语

对于煤矿井下的供电来说，由于线路运行的环境极为恶劣，一旦出现漏电事故，后果不堪设想，所以漏电保护对于煤矿井下供电来说就显得极为重要。本文就主要就分析了一种欠补偿的漏电保护方式，用以及时的检测出煤矿井下出现故障的线路，从而确保煤矿井下活动正常的开展。

参考文献：

[1] 王彦文,宋宁.矿用低压电缆三相对地绝缘状态在线监测技术的研究[J].煤矿机械,2013,34(11):270-273.

[2] 殷宇杰.煤矿用电缆过渡电阻检测检验与探讨[J].西安科技大学学报,2013,33(3):325-329.

[3] 王新胜,曹文强,陈常俊等.谈地电场地埋电缆出现漏电现象快速检测的方法[J].山西地震,2013,(2):28-30.

[4] 董加庆.煤矿6kV供电系统漏电保护研究[D].山东大学,2011.

[5] 陆电.矿井低压电缆绝缘参数在线检测的研究[D].西安科技大学,2012.

[6] 李长青.电缆线路的故障测寻[J].电气时代,2011,(4):110-111.