邢臺(tái)礦選擇性漏電保護(hù)的研究

郭旺

摘 要：隨著煤礦安全意識(shí)的加強(qiáng)，人們逐漸意識(shí)到煤礦選擇性漏電保護(hù)的重要性，現(xiàn)如今選擇性漏電保護(hù)設(shè)備魚(yú)龍混雜，選擇一臺(tái)能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)的設(shè)備很重要。

關(guān)鍵詞：煤礦用電安全；漏電保護(hù)安全；電纜絕緣老化；開(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品

中圖分類(lèi)號(hào)： TD611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）36-174-2

1 概述

邢臺(tái)煤礦建礦于1968年，1969年投產(chǎn)，是一個(gè)年產(chǎn)量二百萬(wàn)頓左右的大礦井，作為一個(gè)有著將近50年歷史的老礦井，井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，高、低壓電纜更像是人體的血管一樣錯(cuò)綜復(fù)雜，有巷道的地方基本電纜都會(huì)存在，長(zhǎng)度可達(dá)上百千米，邢臺(tái)礦老巷道居多，瓦斯和電纜接觸的地方甚多。而且由于巷道變形、頂板壓力、掉石、機(jī)械擠壓等原因電纜被砸或受擠壓的地方較多，特別是低壓橡套電纜，最容易受機(jī)械損傷而引起漏電。所以說(shuō)，我礦井下電網(wǎng)的電纜是漏電最主要的環(huán)節(jié)。根據(jù)煤礦用電安全規(guī)程，邢臺(tái)礦井下供電中性點(diǎn)是經(jīng)過(guò)消弧線圈接地的，如果發(fā)生單相接地性故障，其漏電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)荷電流，既不會(huì)影響電氣設(shè)備的運(yùn)行，又不容易被察覺(jué)，這提高了井下供電的可靠性，然而當(dāng)工作人員接觸到有漏電的電纜或者電氣設(shè)備時(shí)，雖然不會(huì)造成嚴(yán)重的觸電事故，但是漏電電流流入大地時(shí)產(chǎn)生的電火花有可能造成火災(zāi)或瓦斯、煤塵爆炸。瓦斯爆炸條件是當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%—15%，并遇到明火時(shí)，便會(huì)引起爆炸。煤塵爆炸的條件是空氣中煤塵含量大于45g/m3時(shí)，并遇到明火時(shí)；防止瓦斯煤塵爆炸可從兩方面采取措施；一是加強(qiáng)通風(fēng)，降低空氣中瓦斯的濃度和煤塵含量；二是控制井下引爆的明火。井下的防爆設(shè)備有效的克制了電氣設(shè)備的電火花。然而，井下錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜是不防爆的，易受損傷的。當(dāng)電纜受損，絕緣下降，便有可能漏電，產(chǎn)生漏電電流，這樣的漏電電流成為了井下主要的明火源。目前邢臺(tái)礦井下采掘工作基本是井下巷道作業(yè)，作業(yè)空間狹小，掘進(jìn)和回采時(shí)機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備要隨工作面的延伸而移動(dòng)，尤其是井下低壓電纜，遍布整個(gè)礦井，巷道掘進(jìn)和采煤時(shí)煤塵極大，瓦斯會(huì)時(shí)常涌出，井下電纜和電氣設(shè)備會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于瓦斯和煤塵中，而且井下空氣潮濕，電纜極容易受潮，使電纜更容易發(fā)生漏電。漏電電流的存在對(duì)于礦井安全和人身存在很大的隱患，所以邢臺(tái)礦現(xiàn)今選用了附加直流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的。

2 漏電保護(hù)的意義

附加直流漏電保護(hù)是利用直流檢測(cè)電源、直流檢測(cè)回路、信號(hào)取樣回路和控制回路，在三相電網(wǎng)中增加一個(gè)獨(dú)立的直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)與大地之間，三相對(duì)地的絕緣電阻上則會(huì)有直流電流流通，有效檢測(cè)該電流大小的變化，就可實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，但是這樣的漏電保護(hù)裝置不能有效地實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)，雖然發(fā)生漏電保護(hù)切斷主回路，但是次級(jí)回路依舊是錯(cuò)綜復(fù)雜，電纜分布在不同的巷道，每項(xiàng)電纜檢測(cè)非常困難，一般在發(fā)生漏電保護(hù)后，動(dòng)力科會(huì)出動(dòng)數(shù)十人乃至百人下井檢查電纜，測(cè)電纜絕緣，有的時(shí)候在不能精確判斷電纜是否漏電的情況下會(huì)更換電纜，這樣既浪費(fèi)人力物力，又耽誤生產(chǎn)時(shí)間，所以結(jié)合當(dāng)前形勢(shì)改進(jìn)該礦漏電保護(hù)裝置勢(shì)在必行。

3 漏電保護(hù)措施

①邢臺(tái)礦漏電保護(hù)改進(jìn)方向是能實(shí)現(xiàn)選擇性漏電，盡量減少誤動(dòng)作，可以人性化的選擇發(fā)生漏電后動(dòng)作不動(dòng)作，還有多長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)作。20世紀(jì)90年代，在選擇性漏電保護(hù)設(shè)備中普遍選擇的是利用零序電壓、零序電流、零序電流方向和零序功率方向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)的，零序電壓是中性點(diǎn)不接地的供電網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某一項(xiàng)有漏電發(fā)生，則該相對(duì)地絕緣降低，該項(xiàng)對(duì)地電阻變小，三相對(duì)地電阻不平衡，造成中性點(diǎn)向著發(fā)生漏電這一項(xiàng)漂移，從而產(chǎn)生了零序電壓，零序電壓的方向漏電相相對(duì)其他兩項(xiàng)是相反的，零序電流在發(fā)生漏電瞬間產(chǎn)生了零序電壓，零序電壓的產(chǎn)生必將產(chǎn)生零序電流。零序電流方向法是根據(jù)電纜在發(fā)生漏電的一瞬間，電網(wǎng)中性點(diǎn)漂移，產(chǎn)生零序電壓，三相中漏電相和其他兩項(xiàng)零序電壓方向相反大小相同，所以漏電瞬間零序電流互感器就能判斷出哪項(xiàng)發(fā)生漏電，從而有效地切除該回路。零序電壓原理實(shí)際上反映的是電網(wǎng)對(duì)地絕緣阻抗的相對(duì)不平衡情況，而非絕對(duì)數(shù)值。在三相電網(wǎng)對(duì)地絕緣阻抗對(duì)稱(chēng)下降時(shí)漏電保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，另外在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中，由于各臺(tái)零序電壓保護(hù)裝置所反映的零序電壓是一樣的，一旦發(fā)生漏電或接地故障，所有這些保護(hù)裝置都將動(dòng)作，也就不具有選擇性。零序電流原理，是利用發(fā)生漏電故障時(shí)故障支路和非故障支路的零序電流大小不同可以判斷出故障支路，從而實(shí)現(xiàn)了選擇性[1]。零序電流方向原理是當(dāng)三相電網(wǎng)發(fā)生一相漏電或接地時(shí)，各個(gè)分支線路中的零序電流不僅大小不同，而且方向也不一樣。利用零序電流方向不同區(qū)分故障支路和非故障支路，達(dá)到選擇性保護(hù)的目的。但是零序電流保護(hù)裝置和零序電流方向保護(hù)裝置都往往受著電網(wǎng)條件的限制，僅適用于分支線路比較多、電容比較大的場(chǎng)合。

②零序功率方向法是結(jié)合了零序電壓、零序電流、零序電流方向的綜合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)的，其原理和零序電流方向是一樣的，在漏電瞬間產(chǎn)生的零序電壓方向不同，產(chǎn)生的零序電流方向也不同，這樣零序功率方向也會(huì)不同，不僅利用零序電壓和零序電流的幅值大小供電系統(tǒng)內(nèi)是否發(fā)生漏電和哪條支路發(fā)生漏電，同時(shí)還利用各支路零序電壓和零序電流的相位關(guān)系來(lái)判斷漏電支路。這樣做不僅達(dá)到了很好的選擇性的目的，零序功率方向法是綜合其他三種方法，這樣能精確地確定漏電支路還能減少誤動(dòng)作，提高選擇性漏電的準(zhǔn)確性。雖然在理論上零序功率方向來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇漏電保護(hù)是很準(zhǔn)確的了，但是根據(jù)這個(gè)理論做出的選擇性漏電保護(hù)的設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作的頻率很高，這使得無(wú)論是廠家還是研發(fā)人員都為這個(gè)問(wèn)題所困擾，為什么在理論上的東西，應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)設(shè)備中就有這么大的差距呢，這種不成熟的選線裝置的弊端是什么成了科研人員研究的對(duì)象。

③隨著研究的深入，科研人員發(fā)現(xiàn)漏電信號(hào)是非常弱和非常難以采集的一種信號(hào)，由于中性點(diǎn)非有效系統(tǒng)接地時(shí)故障電流太小，其較弱的穩(wěn)態(tài)量易受干擾；而較大的暫態(tài)特性受到系統(tǒng)參數(shù)的影響和約束，所以人們采用了注入信號(hào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性漏電，但是由于注入信號(hào)容易受到電網(wǎng)干擾和一些磁場(chǎng)的干擾，影響信號(hào)的特征和穩(wěn)定性，使得設(shè)備的運(yùn)行不穩(wěn)定，選擇性漏電保護(hù)裝置觸發(fā)也不穩(wěn)定，不能有效地實(shí)現(xiàn)選線。單項(xiàng)接地漏電故障之所以很難實(shí)現(xiàn)選線，是因?yàn)楣收戏€(wěn)態(tài)分量小，補(bǔ)償電網(wǎng)失諧度的影響，線路長(zhǎng)短及結(jié)構(gòu)的影響故障，合閘角的影響、故障合閘角的影響、電流互感器特性的影響、電壓互感器特性的影響。各種選線方法都有局限性，目前普遍的適用性方法很難找到，如何解決好多種選線判據(jù)有效融合也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

④該礦如今和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的盧其威教授在探討中表示在選擇性漏電方面需要一個(gè)有效的設(shè)備，盧教授推薦了王念彬博士的選線設(shè)備，王念彬博士開(kāi)發(fā)的選線設(shè)備采用了小波包結(jié)合人工智能算法等方法實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)的。小波包是利用小波變換為基礎(chǔ)的，小波變換是把漏電電流方向、漏電電壓方向，在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)下分割成不同頻率，不同波形，每個(gè)波形經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到一組穩(wěn)定的連續(xù)的小波包，經(jīng)過(guò)人工智能算法的計(jì)算分析儲(chǔ)存，得到一系列的關(guān)于漏電選線的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)。王博士的設(shè)備已經(jīng)在礦井下試用一年之久，其報(bào)警準(zhǔn)確率高，報(bào)警數(shù)據(jù)精確，誤動(dòng)作少，得到了井下員工的認(rèn)可。

目前有以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步的探討和展望，將人工智能運(yùn)用到選擇性漏電保護(hù)當(dāng)中，計(jì)算機(jī)分析井下漏電保護(hù)的所有數(shù)據(jù)，不斷地完善自身的算法，不斷地完善內(nèi)部動(dòng)作值，結(jié)合自動(dòng)控制理論，實(shí)現(xiàn)礦井下設(shè)備漏電保護(hù)的自動(dòng)控制，當(dāng)對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生危害和對(duì)人員不產(chǎn)生危害的時(shí)候，只是發(fā)出報(bào)警信號(hào)，這樣對(duì)一些特定的設(shè)備或者不能立即斷電的設(shè)備可以采取預(yù)防措施，在采取一定措施后可以完成選擇性斷電，在故障處理完成后自動(dòng)回復(fù)生產(chǎn)，并將本次故障所有過(guò)程記錄在內(nèi)部分析計(jì)算，更加人性化地處理選擇性漏電。將人工智能和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，組建一個(gè)大型的智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋煤礦供電網(wǎng)絡(luò)，比如人體一個(gè)血管出血人的大腦可以準(zhǔn)確地判斷出來(lái)什么地方疼痛，在發(fā)生漏電時(shí)，設(shè)備不僅可以判斷出來(lái)哪個(gè)支路發(fā)生漏電，并且可以判斷該回路的漏電流是不是可以造成危害，需不需要更換電纜，這樣不僅能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷出漏電支路，還能提供處理意見(jiàn)，不讓工人盲目地更換所有電纜，造成資源浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高該礦井下供電的穩(wěn)定性以及漏電保護(hù)的準(zhǔn)確性，我們會(huì)調(diào)研市場(chǎng)最新的漏電保護(hù)產(chǎn)品，綜合自身的條件因素，選擇適合自己的選擇性漏電保護(hù)裝置，并且在條件允許的情況下，及時(shí)更新設(shè)備，達(dá)到最優(yōu)的選擇性漏電保護(hù)，提高礦井完全。