煤礦低壓電網(wǎng)漏電容性電流自動補償研究

徐國萍

（山西焦煤西山煤電（集團)公司，山西太原030053）

·試驗研究·

煤礦低壓電網(wǎng)漏電容性電流自動補償研究

徐國萍

（山西焦煤西山煤電（集團)公司，山西太原030053）

針對煤礦井下中性點絕緣低壓供電線路中，由于電網(wǎng)對地分布電容的存在，使漏電電流或人身觸電電流超過極限安全值，并且電網(wǎng)分布電容的多變?nèi)菀滓鹪到y(tǒng)過補償或欠補償?shù)那闆r，提出基于最小漏電電流閉環(huán)控制理論的電感量粗調和細調相融合的自動補償方案，采用單片機控制繼電器自動切換磁放大器多抽頭交流繞組實現(xiàn)電感量有級調節(jié)，通過步進電機調節(jié)電位器改變磁放大器直流繞組的電流，實現(xiàn)電感量無級調節(jié)，從而使流過磁放大器的電感電流完全補償電網(wǎng)分布電容的電流。該系統(tǒng)補償速度快、精度高、調整周期短，補償過程操作方便、安全。

漏電保護;容性電流;自動補償

1 問題的提出

在中性點直接接地的低壓供電系統(tǒng)中，若發(fā)生漏電事故，會產(chǎn)生很大電流，可達數(shù)百、甚至數(shù)千安培，將會對安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：嚴禁井下配電變壓器中性點直接接地，嚴禁由地面中性點直接接地的變壓器或發(fā)電機直接向井下供電。目前，國內(nèi)井下廣泛采用變壓器中性點絕緣的供電系統(tǒng)。中性點絕緣的供電系統(tǒng)，發(fā)生單相接地（包括直接接地和經(jīng)過渡阻抗接地）或兩相、三相對地的總絕緣阻抗下降到危險值的電氣故障稱為漏電故障。此類供電系統(tǒng)人身觸及一相帶電導體的情況，屬于單相經(jīng)過渡阻抗接地。在電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，必須采取有效的保護措施，否則會造成如下問題：人身觸電事故，接地點產(chǎn)生的漏電火花引起瓦斯煤塵爆炸，電雷管的提前引爆；長期存在的漏電故障，可能使電氣設備的絕緣惡化，造成相間短路、電火災和其他危及礦井安全的電氣故障。電網(wǎng)若發(fā)生漏電故障，最容易檢測到的是電網(wǎng)各相對地絕緣電阻的下降，直接對電網(wǎng)各相對地絕緣進行檢測的漏電保護方式是附加電源直流檢測式漏電保護，它具有保護全面，跳閘不受故障類型和發(fā)生時間、地點的影響，動作值整定簡單，可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應用于低壓供電系統(tǒng)饋電開關和磁力啟動器中［1-3］。

井下低壓電網(wǎng)對地電容的存在，會使漏電電流和人身觸電電流顯著增大，而單純提高絕緣電阻,到一定程度后反而會使漏電電流和人身觸電電流增大。從電網(wǎng)運行的角度看,則希望絕緣電阻越高越好。這一矛盾,只有在電容的作用完全消失,或者說電容電流完全被補償?shù)那闆r下才能解決［4］。附加電源直流檢測式漏電保護器有一個突出的特點是可以補償整個供電單元電容電流，使漏電電流和人身觸電電流減小，等于人為地減輕了故障程度。煤礦常用的附加電源直流檢測式漏電保護器有微機綜合保護裝置ST600、SG500和JJKY30型、JJB型（JY82型改進后）檢漏繼電器。均需通過觀測漏電監(jiān)視電流表，進行手動調節(jié)。但井下低壓供電單元的對地分布電容大小與電纜的長度、截面、絕緣材料的厚度和電介質的性質有關，受長度影響最大，電纜總長度越長，電網(wǎng)對地電容越大，容抗越?。?-6］。特別是采掘工作面的設備經(jīng)常移動，電纜長度不斷變換，引起對地分布電容變化較大?，F(xiàn)有漏電保護裝置存在：1）電容電流補償調整周期太長，一旦電感值確定以后在井下就不能隨電網(wǎng)分布電容參數(shù)變化及時調整，因而不能保證在整個使用周期內(nèi)的最佳補償，一旦分布電容發(fā)生變化，便會出現(xiàn)過補償或欠補償，降低了安全性。2）每次操作需要開蓋，手動改變抽頭或手動調節(jié)，通過目測電流表配合人工調節(jié)，操作不方便，調節(jié)繁瑣。并且在井下帶電打開防爆外殼調整不符合防爆技術要求，甚至會造成新的不安全因素。3）為符合防爆要求，一般均在地面進行調整，無法準確實現(xiàn)對井下參數(shù)的最佳補償。

鑒于此，本文從最小漏電電流閉環(huán)控制理論出發(fā)，采用單片機控制系統(tǒng)，檢測漏電電流的大小，計算并調節(jié)補償電容所需的電感量，對磁放大器多抽頭交流繞組進行電感量粗調，同時驅動步進電機對磁放大器直流繞組的電流進行細調，從而使流過磁放大器的電感電流完全補償電網(wǎng)分布電容的電流。

2 容性電流補償原理

煤礦井下供電系統(tǒng)為三相電源的中性點不接地供電系統(tǒng)。當供電系統(tǒng)發(fā)生了漏電或人身觸電時，原來三相對稱的運行狀態(tài)發(fā)生變化，其對地的對稱性遭到破壞，因而各相對地電壓不再對稱，并產(chǎn)生零序電壓和零序電流。由于電網(wǎng)對地電容電流的存在，使得人體觸電時的電流超過極限安全值，危害人身安全。為了消除分布電容的影響，根據(jù)電工理論，在電感與電容并聯(lián)的電路中，電感電流與電容電流反相，前者滯后電源電壓90°，后者超前電源電壓90°，因此，在附加電源直流檢測式漏電保護中的人為中性點與大地之間增設一條可調的感性支路，利用零序電流流過感性支路所產(chǎn)生的電感電流與電網(wǎng)對地電容電流相抵消的原理，使故障處漏電電流或人身觸電電流大為降低，這就是電容電流補償。

當發(fā)生單相漏電或人身觸電時，容性電流補償?shù)刃щ娐吩硪妶D1。

圖1 容性電流補償?shù)刃щ娐吩韴D

圖1中C1、C2、C3分別為三相電網(wǎng)對地分布電容，產(chǎn)生容性電流，R1、R2、R3分別為三相電網(wǎng)對地絕緣電阻，產(chǎn)生電阻性電流，這兩類電流都經(jīng)模擬漏電回路流回電網(wǎng)，此時三相電抗器的3個繞組分別連接到電網(wǎng)的A、B、C相，三相電抗器連接成Y形接法，構成人為中性點，可調電感線圈產(chǎn)生感性電流，也經(jīng)模擬漏電回路流回電網(wǎng)。根據(jù)電路基本理論，取電網(wǎng)每相分布電容值C1=C2=C3=C，即容抗為X3C；電網(wǎng)每相絕緣電阻值R1=R2=R3=r，即電阻為r/3；電感線圈可調電感值為L，即感抗為XL，則電網(wǎng)對地總零序阻抗Zs為r/3、X3C，XL的并聯(lián)，即：

當Zs取最大值，即達到電容電流被全部抵消時，漏電電流或人身觸電電流最小，此時的條件為：

即XL=X3C或L=1/3ω2C，滿足并聯(lián)諧振條件時，電容電流被完全抵消，漏電電流最小。因此，電網(wǎng)對地分布電容值C增大時，電感線圈可調電感值L應相應減??；電網(wǎng)對地分布電容值C減小時，電感線圈可調電感值L應相應增大，才能滿足完全補償。所以，通過調節(jié)電感線圈電感值L，即可實現(xiàn)容性電流完全補償。

3 自動補償系統(tǒng)組成

礦用低壓電網(wǎng)漏電保護器的容性電流自動補償可根據(jù)分布電容的變化，自動補償電容電流，不需要開蓋手動操作，便使系統(tǒng)到達最佳補償狀態(tài)，實現(xiàn)附加電源直流檢測式漏電保護器的容性電流自動補償，容性電流自動補償系統(tǒng)見圖2。

圖2 容性電流自動補償系統(tǒng)圖

容性電流自動補償系統(tǒng)由電容電流自動補償主電路及電容電流自動補償控制電路兩部分組成，電容電流自動補償主電路由電容電流自動補償繼電器有級切換電路與電容電流自動補償步進電機無級調節(jié)電路組成。

1）電容電流自動補償繼電器有級切換電路由磁放大器及繼電器切換電路組成，磁放大器是可調電感線圈，包括上交流繞組L1、下交流繞組L2和直流繞組L3。繼電器切換電路通過單片機檢測漏電電流的大小，控制繼電器線圈得電，從而使相應繼電器動合觸點閉合，實現(xiàn)繼電器切換控制。繼電器切換的目的是通過調整抽頭接線方式改變匝數(shù)實現(xiàn)改變磁放大器電感值，其調節(jié)過程是有級的。

2）電容電流自動補償步進電機無級調節(jié)電路由磁放大器、磁放大器直流電源、旋轉式可調電位器、聯(lián)軸器、步進電機及步進電機驅動器組成，安裝時步進電機驅動器連接步進電機，步進電機驅動器給步進電機提供動作所需的指令信號及驅動功率，步進電機的輸出軸與旋轉式可調電位器的調節(jié)軸通過聯(lián)軸器連接，目的是步進電機的轉動量與旋轉式可調電位器的轉動量一致，依靠步進電機調節(jié)旋轉式可調電位器的電阻值。磁放大器直流電源為磁放大器的直流繞組L3提供穩(wěn)定的直流工作電源，當旋轉式可調電位器的阻值變化時，磁放大器中的直流繞組L3的直流電流發(fā)生改變，通過改變磁導率來改變磁放大器的電感值。電容電流自動補償控制電路由電流傳感器、A/D轉換電路、單片機、光電隔離電路、自動補償按鈕組成，電流傳感器用來采集按下自動補償按鈕時電網(wǎng)的漏電電流，該漏電電流經(jīng)A/D轉換電路變換后由單片機采集，再經(jīng)單片機運算后通過光電隔離電路控制繼電器的線圈回路，對磁放大器的匝數(shù)進行調節(jié)，然后單片機發(fā)出指令信號控制步進電機驅動器驅動步進電機轉動，改變旋轉式可調電位器阻值，從而改變直流繞組L3的電流值。

容性電流完全補償系統(tǒng)采用最小漏電電流閉環(huán)控制原理，通過單片機控制系統(tǒng)調節(jié)磁放大器電感量，實現(xiàn)容性電流最佳補償。由電磁理論可知，磁放大器電感值L=4πN2μA/l，式中，N為線圈匝數(shù)；A為鐵芯截面積；l為磁路長度；μ為鐵芯磁導率。改變磁放大器的交流線圈匝數(shù)即可改變電感值，但調節(jié)量較大，且為有級調節(jié)。進一步根據(jù)磁路的歐姆定律，可知磁通φ=Ni/Rm=H·μ·A，式中，i為線圈通電電流；Rm為磁路的磁阻；H為磁場強度。當連續(xù)改變直流控制電流i大小時，磁通φ發(fā)生變化，磁導率μ隨著發(fā)生變化，交流線圈的電感值發(fā)生改變，且為無級調節(jié)。有級調節(jié)與無級調節(jié)配合使用，不僅可加快調節(jié)速度，提高補償精度，減小無級調節(jié)的動作量，且可實現(xiàn)完全補償。由于分布電容在0.1~1 μF范圍變化，分布電容為最小0.1 μF時對應完全補償?shù)碾姼辛繛?3.8 H，分布電容為最大1 μF時對應完全補償?shù)碾姼辛繛?.38 H，因此，設計磁放大器電感值取值范圍為1~40 H。

4 自動補償實現(xiàn)方法

容性電流自動補償系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時動態(tài)補償和手動控制自動補償兩種方式。通過在低壓隔爆開關外殼上裝設切換開關，控制自動補償按鈕SE是否投入控制，從而實現(xiàn)實時動態(tài)補償或手動控制自動補償?shù)那袚Q。在實際情況下，由用戶根據(jù)自己的需要進行選擇。

1）粗調。當按下自動補償按鈕（或動態(tài)補償自動執(zhí)行時），自動補償按鈕的動斷觸點先斷開，然后動合觸點閉合，此時電網(wǎng)漏電電流通過漏電模擬電阻、電流傳感器、電流表、自動補償按鈕的閉合觸點與輔助接地極構成模擬漏電回路。一方面漏電電流流過電流傳感器，另一方面暫時斷開附加直流電源控制裝置，不讓附加電源直流檢測式漏電保護器動作跳閘。電流傳感器采集的漏電電流信號，經(jīng)A/D轉換電路變換后，輸入到單片機，經(jīng)單片機判斷后，控制光電隔離電路，并驅動繼電器的線圈回路，首先進行有級調節(jié)，即進行自動初調。通常先選擇減小交流繞組線圈匝數(shù)去比較，通過尋找最小漏電電流值來固定接法。若初始狀態(tài)接法已接入最小匝數(shù)，則按照增大電感量的方法尋找最小漏電電流值；若初始狀態(tài)接法已接入最大匝數(shù)，則按照減小電感量的方法尋找最小漏電電流值，最終固定接法，結束粗調過程。

2）精調。粗調結束后，單片機發(fā)出控制指令給步進電機驅動器，通過聯(lián)軸器帶動旋轉式可調電位器轉動，從而改變其電阻值。磁放大器直流電源為旋轉式可調電位器與直流繞組L3的串聯(lián)回路提供電源，通過旋轉式可調電位器的阻值改變來調整直流電流值，從而連續(xù)改變磁放大器的電感值。首先，單片機采集并存儲當前時刻電流值后，發(fā)出逆時針旋轉方向信號，脈沖發(fā)送周期為20 ms，間隔20 ms發(fā)出1個脈沖旋轉位置信號，步進脈沖發(fā)出后，在20 ms間隔內(nèi)比較前一時刻漏電電流值與當前時刻漏電電流值，若當前時刻漏電電流值小于上一時刻漏電電流值，則繼續(xù)執(zhí)行逆時針旋轉指令，并進行漏電電流比較，直到比較出最小漏電電流值，步進停止；若當前時刻漏電電流值大于上一時刻漏電電流值，則以20 ms周期執(zhí)行順時針旋轉指令，并進行漏電電流比較，直到比較出最小漏電電流值，步進停止。最后松開自動補償按鈕結束調節(jié)。

5 結論

1）礦用低壓電網(wǎng)容性電流自動補償可以根據(jù)分布電容的變化，自動補償電容電流，不需要開蓋手動操作，使系統(tǒng)到達最佳補償狀態(tài)，實現(xiàn)附加電源直流檢測式漏電保護器的容性電流自動補償。

2）基于最小漏電電流閉環(huán)控制原理，磁放大器交流繞組抽頭切換采用單片機控制繼電器方式實現(xiàn)電感量粗調；直流繞組的控制電流通過單片機驅動步進電機系統(tǒng)自動調節(jié)可調電位器來調節(jié)，實現(xiàn)電感量細調從而使流過磁放大器的電感電流完全補償電網(wǎng)分布電容的電流。粗調與細調均采用自動方式，粗調可減小細調的動作量，加快調節(jié)速度。

3）系統(tǒng)補償速度快、精度高、調整周期短。

4）自動補償開關裝設在設備的外殼上，無需開蓋手動調整，系統(tǒng)即可自動實現(xiàn)電容電流最佳補償，補償過程操作方便、安全。

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Research on Capacitive Current Automatic Compensation on Low Voltage Power Grid Leakage Protection of Coal Mine

Xu Guo-ping

In neutral insulation low voltage power supply lines of coal mine，due to distributed capacitance exists，the leakage currents or personal electric shock currents exceed the limited safety value，and the changes of distributed capacitance easily cause the original system overcompensation or under compensation.The automatic compensation scheme of combining inductance the coarse adjustment with the fine adjustment is proposed on base of the minimum leakage currents closed loop control theory.Using single chip microcomputer control relay automatic switching magnetic amplifier is to achieve multi tap AC winding inductance step adjustment.The currents of magnetic amplifier DC winding are changed by single chip microcomputer control step motor to adjust potentiometer. The system attains stepless regulation of the inductance，so that the currents of distributed capacitance are completely compensated by the inductor currents of the magnetic amplifier.It has many advantages of fast compensation speed，high precision，short cycle，safety and easy operation during compensation process.

Leakage protection；Capacitive current；Automatic compensation

TD61

A

1672-0652（2014）12-0004-04

2014-11-12

徐國萍（1965—），女，山西太原人，1987年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院，高級工程師，主要從事科技管理工作（E-mail）xgp8889@126.com