矿井低压电网选择性漏电保护装置设计*

曹建文

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

国内煤矿井下供电系统以中性点不直接接地系统为主，发生漏电故障主要以单相接地、两相或三相故障为主，使得供电系统对地绝缘电阻达临界危险值，主要表现为零序回路中阻抗大、电流小。据统计，煤矿井下供电系统漏电故障约占供电系统故障的70%。漏电故障除对工人身体伤害外，漏电过程产生的电火花极易引起瓦斯爆炸、粉尘爆炸等重大安全事故。如2014年4月云南红土田煤矿和12月新疆白杨沟煤矿由于漏电引起的重大瓦斯爆炸事故，再次引起煤矿企业、科研院所对煤矿井下漏电保护研究的重视[1-2]。近几年，煤矿井下低压电网漏电保护研究取得进一步的进展，如王彦文等[3]为解决煤矿井下低压配电网选择性漏电保护装置存在的可靠性差、灵敏度低的问题，设计了基于零序电流差动量的选择性漏电保护方案，当矿井低压电网发生单相漏电故障时，采集各支路的零序电流差值，根据差动量的幅值和相位实现漏电保护的横向选择和区段定位。经仿真试验证明，该方案可有效提高发生单相漏电检测的可靠性和灵敏度，但适用性较差，且受系统对地绝缘电阻和分布电容的影响较大。李宗臻等[4]针对矿井选择性漏电保护中的横向选择、纵向选择两方面分别提出附加直流电源保护和线路参数识别保护两种方案，并基于DSP处理器进行保护方案的设计与实现，增强了矿井漏电保护装置的选择性、可靠性和灵敏度。李卫东[5]详细阐述了矿井选择性漏电保护工作模式以及原理，并与矿井非选择性漏电保护系统进行比较。以东峰煤矿低压电网漏电保护系统为例，佐证矿井选择性漏电保护系统横向或纵向选择性好、停电范围小、查找漏电故障效率高的特点。孙士宏[6]对矿井低压电网单相漏电故障及参数进行详细分析，并指出附加直流电源检测法、零序功率方向法的漏电保护原理以及两种方法综合使用的重要性和有效性。邰文涛[7]以STM32F103ZE控制器为核心，采用集中控制模式对系统漏电和漏电线路进行判断，保护电网安全供电，漏电试验结果表明所设计的漏电判断系统的正确性。结合矿井低压电网单相漏电故障特点，设计基于STM32F103控制的漏电保护装置，保证矿井低压供电系统安全、稳定运行。

1 选择性漏电故障分析

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图1 矿井低压电网单相漏电系统原理

2 选择性漏电装置设计

2.1 硬件设计

矿井低压电网选型性漏电保护装置硬件部分主要完成的功能包括以下几项。

1)低压电网绝缘检测。当某一支路的绝缘电阻值低于漏电保护动作值后，控制器向该支路漏电保护单元发出漏电保护控制指令，驱动继电器、脱扣器动作。

3)控制器发出漏电保护控制指令Tproms后，如果漏电现象依然存在，则进行漏电纵向选择，漏电点可能位于总分开关之间。

根据矿井低压电网选择性漏电保护装置完成硬件部分设计，如图2所示。硬件系统以STM32F103ZET6控制器为核心，实现主从控制。STM32F103ZET6主控制器外接部分主要有显示及键盘、零序电压采样电路、信号调理电路、继电器/脱扣器执行单元以及绝缘电阻连续检测单元。主从站之间以CanOpen完成数据通信，STM32F103ZET6从站控制器外接部分为零序电流采样电流和信号调理电路。

图2 选择性低压漏电保护装置硬件设计

1)STM32F103ZET6主从控制器。以STM32F103ZET6作为干线主控制器以及支路从控制器，完成对漏电保护系统零序电压、零序电流以及绝缘电阻模拟量信号的采集、转换以及逻辑控制；完成主从控制器CanOpen通信连接的建立、数据传输以及校验；完成控制干线以及各支路的继电器、脱扣器的执行等功能。

3)零序电流采样单元。零序电流采样单元主要完成对支路零序电流的实时测量。支路零序电流经LEM的CT系列电流传感器、低通滤波器以及ADS7835芯片处理完成电流模型的采集并传送至STM32103F从站。采用的LEM CT系列电流传感器利用磁调制原理对电流进行测量，测量精度可达2%。

4)显示及键盘单元。显示器采用的型号为OCMJ4X8C，用于实时显示漏电装置的运行状态、设置参数以及故障信息；键盘单元采用2×2防爆矩阵键盘。

5)执行单元。执行单元包括检漏继电器、脱扣器等电气元件。检漏继电器选用的型号为NGL1-400，具备选择性漏电跳闸及漏电闭锁功能，系统电压为AC 380 V、AC 660 V以及AC 1 140 V时，动作时间≤30 ms。在三相漏电不平衡时，各相动作灵敏度一致，可自动区分漏电。该检漏继电器抗干扰能力强，在电网谐波、线路瞬时过电流时不误动作，且有节能无声运行的特点。脱扣器选用的型号为RDM5L-125M，该脱扣器中的零序电流互感器的信号输出与漏电关联，当信号输出达到一定值时，可触发该脱扣器中的可控硅，导通使得漏电脱扣器动作，驱动牵引杆使得操作机构在很短时间(最长断开时间为0.3 s)内断开，切换电源，实现漏电保护功能。

2.2 软件设计

矿井低压电网选择性漏电保护装置软件部分采用模块化设计分别在STM32F103ZET6主站和从站中编程实现。根据选择性漏电保护装置实现的功能，划分的功能模块主要有主控制模块、系统自检与初始化模块、零序电压检测模块、零序电流检测模块、绝缘电阻检测模块、故障处理模块、合闸/分闸模块、合闸/分闸状态模块、键盘以及显示模块等[11]。根据模块功能独立完成各自模块内部程序，定义各模块接口函数，供与其他模块进行交互。主程序流程如图3所示，主要完成系统自检与初始化，完成对各参数的检测、分析、判断，完成对各模块的调用，进而完成对矿井低压电网选择性漏电保护功能。图4为漏电保护装置对各支路对地绝缘电阻的检测流程，主控制器需周期性地采集各支路对地绝缘电阻值以及两端的电压值并与标准设定范围进行比较，判断是否存在漏电故障。

3 实验分析

矿井低压电网选择性漏电保护装置实验平台核心参数具体为：供电电压为AC 380 V；采样频率为2 000 Hz；漏电阻采用变阻箱，可调节范围为0～10 000 Ω；零序电流互感器变比为0.6 A/2.5±1.49 V；零序电抗器为0～5 H；示波器为泰克的MD03024。

图3 主程序流程

图4 绝缘电阻检测流程

通过该实验平台获取各支路初始零序电流，利用最小二乘矩阵束算法对获取的零序电流数据进行分析，得到各支路的直流量，最后计算出各支路的绝缘电阻值，如表1所示。在表1中，支路1发生单相漏电故障，绝缘电阻计算值为0.455 kΩ，远远小于单相接地故障动作电阻值3.5 kΩ，即可判断支路1发生单相漏电故障。

表1 矿井低压选择性漏电保护实验数据

4 结论

1)经矿井低压电网漏电保护原理分析，发生单相漏电故障支路的相电压滞后新的中性点电压的角度为180°-θ。根据该原理可识别发生漏电故障的支路。

2)以STM32F103控制器为核心，设计基于主、从控制模式的矿井低压漏电保护装置，并完成硬件、软件设计。

3)对设计的矿井低压漏电保护装置进行实验分析，验证该装置的实用性。实验结果表明该装置可高效、快速识别漏电故障支路并完成漏电保护动作，有效避免发生重大供电系统事故。