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摘要：煤矿井下的生产条件和工作环境都是十分恶劣的。在这样的环境下，供电设备的稳定性与可靠性难以保证。矿井人身触电、火灾、外露电弧或火花引起的瓦斯煤尘爆炸时有发生。为了适应现代化煤炭工业发展的要求，必须对电网制定保证人身安全、设备安全和矿井安全的有效措施，使电能在煤炭生产中发挥应有的作用。本文重点探讨煤矿高压防爆开关漏电保护与防护措施。
关键词：煤矿；高压防爆开关；漏电保护
中图分類号：TM564.8
我国煤矿井下采区供电通常是以相对固定的采区变电所，通过放射式电缆电网向用电比较集中的配电点供电，由配电点再向各采、掘、运等机电设备配电。馈电开关不仅承担着向各配电点馈送电能的重要任务，而且担负着保护负荷侧电网及避免设备故障的重要责任，因此，其保护系统的性能与可靠性必须予以足够的重视。
1电气设备的防爆原理与本质安全电路
电气防爆技术常用隔爆外壳和本质安全电路。隔爆外壳的防爆原理就是将在正常工作下和故障状态下可能产生火花（电弧）的部分放在一个或几个外壳中，这种外壳将其内部的火花、电弧与电气设备使用环境中的爆炸性气体隔开，使得外部环境进入壳内的爆炸性混合物，被壳内火花或电弧引爆时，外壳不致被炸坏，并且不使爆炸生成物通过联结缝隙传出引爆周围环境中的爆炸性介质，这种外壳称为“隔爆外壳”。简单地讲，就是要求外壳具有耐爆性和不传爆性。本质安全电路（简称本安电路）的安全原理在于，限制电路在正常状态和故障状态下所产生的电火花及热效应均不能引燃爆炸性气体混合物。在本安电路中，必须将其切换放电能量限制在安全值（0.28mJ）以下，故需限制其电流和电压本安型电路是本质安全的，其防爆原理既不是把电气设备放在隔爆外壳内，也不是采取隔离火源的方法，而是电路本身不能引燃爆炸性气体，所以又叫安全火花电路。煤矿井下防爆设备中装设本安腔，保护系统的核心部分安放在本安腔中。
2漏电保护新方法
漏电故障在煤矿供电故障中占到 80%以上，因此研制可靠的漏电保护非常必要。但是现在应用的综合保护中的漏电保护都是按照《矿用隔爆型配电装置》的国家专业标准的规定设计的，其方法为零序电流型漏电保护或零序功率方向型漏电保护。这两种漏电保护都是针对中性点不接地电网设计的。这是由于上个世纪 80 年代我国煤矿供电大都采用中性点不接地运行方式。但是，随着煤矿供电距离的不断增加，电网对地电容电流不断增大，现今已经大部分都改为了中性点经消弧线圈接地方式运行。因此，上述漏电保护方法已经无法实现准确保护。同时，上述漏电保护还存在易受漏电故障点接地电阻的影响等缺点，据此，本文针对中性点接地方式的不同以及消弧线圈的不同调节方式，提出了分类的漏电保护原理，从而提高了漏电保护的准确性和适应性。其原理如下：在中性点不接地电网中故障线路开关所测的零序电流等于所有非故障部分零序电流之和，且方向相反，因此可以根据这些特征来实现漏电保护。零序电流型漏电保护和零序功率方向型漏电保护基于上述原理而提出的。但是在煤矿实际应用中由于漏电故障又包括金属性、高阻性等多种类型的漏电故障。随着接地电阻的增大，零序电压和零序电流不断减小，造成零序电流型漏电保护经常出现拒动现象，而零序电流功率型漏电保护出现误动或拒动现象。
3防护措施
3.1具有通讯闭锁的短路保护新方法
现在煤矿上的高压防爆开关的短路保护和过流保护在理论应用上不存在问题。但是，由于煤矿上各开关之间输电电缆有可能距离很短，如只有几百米、几十米，或者上级保护的整定值比下级线路末端的最小短路电流还小，因此二者之间必然造成越级跳闸，从而影响煤矿的供电和生产。如通过整定值来解决越级跳闸，则保护的灵敏度不够，且煤矿安全规程也不允许，针对上述情况本文提出了在不改变原有电流保护整定方法的基础上通讯闭锁短。路保护，来实现短路保护的选择性。其原理如下：当下级开关检测到短路故障后首先对上级开关发出短路保护闭锁信号，一直到短路故障切除。上级开关接到短路闭锁信号后将短路保护闭锁。为防止下级开关或保护故障造成短路故障不能及时切除，上级闭锁功能一般只维持很短时间（即躲下级保护跳闸时间，一般可设 100～200 ms），此时不论闭锁信号是否解除，短路保护都恢复工作。
3.2中性点不接地系统漏电保护
由于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生漏电故障时，故障线路开关所检测到的零序电流的特征不同而无法采用相同的漏电保护原理。因此，要保证开关保护在各种中性点接地方式下都能准确工作，其保护原理必须采用与中性点接地方式相对应的分类漏电保护原理。
由上述分析可见，在中性点不接地电网发生漏电故障时，故障线路检测的零序电流不仅与电网的对地电容有关，而且也与发生漏电故障处的接地电阻有关。而现有防爆开关中的漏电保护是以零序电流来整定的，如果整定过大则可能造成高阻接地时出现拒动现象；当整定过小时则可能出现误动现象。而漏电故障时的接地电阻的阻值是个不确定的值，所以无法通过整定来完全消除上述出现的拒动或误动现象。有的随调式消弧线圈为了提高漏电保护的准确性，在发生漏电故障后，自动将补偿电流短时加以改变来实现漏电保护。此时，该方法可以实现2次判断，提高保护的准确性。
3.3开发井下电气系统监控系统
系统的现场总线一般使用CAN、Lon—Works、Profibus等总线。使站内通信层安全可靠。各装置的信息在通信层共享，取消了大量的控制电缆，减少施工难度及维护工作量，大大节省人力、物力，降低成本。各装置一般采用全汉化大屏幕液晶显示，显示内容包括树形菜单、送信、遥测、跳闸报告、告警报告等。通常配置有小键盘，使调试、运行、维护极为方便。系统的关键部分是综合保护测控装置，或称“四合一”装置（保护、遥测、遥控、送信装置），是按一个元件（一个间隔）一个保护测控装置分布式设计配置，可直接安装在开关柜上。各间隔功能独立，各保护测控装置之间仅通过网络联结。网络组态灵活，使整个系统的可靠性得到很大提高，任一装置故障仅影响到相对应的元件，各保护测控装置除就地分散安装在开关柜上，也可集中组屏。
结论
由于煤矿的特殊环境，所以电气设备用于煤矿井下时需采取防爆技术，从而保障井下煤矿工人的生命财产安全。
参考文献：
[1] 张四海，吴红斌. 基于DSP的高压防爆开关微机保护控制器的研制[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2011（02）
[2] 王洪伟，许涛. 煤矿高压防爆开关欠电压保护的分析与改进[J]. 山东煤炭科技，2010（03）
[3] 胡满红. 煤矿井下高压防爆开关控制器的改进设计[J]. 煤炭工程，2009（07）
[4] 叶予光，卞和营，王泳. 煤电钻综合保护装置中载频短路保护技术研究[J]. 煤矿机械，2009（10）
[5] 王洪伟，许涛. 煤矿高压防爆开关欠电压保护的分析与改进[J]. 山东煤炭科技，2010（03）
关键词：煤矿；高压防爆开关；漏电保护
中图分類号：TM564.8
我国煤矿井下采区供电通常是以相对固定的采区变电所，通过放射式电缆电网向用电比较集中的配电点供电，由配电点再向各采、掘、运等机电设备配电。馈电开关不仅承担着向各配电点馈送电能的重要任务，而且担负着保护负荷侧电网及避免设备故障的重要责任，因此，其保护系统的性能与可靠性必须予以足够的重视。
1电气设备的防爆原理与本质安全电路
电气防爆技术常用隔爆外壳和本质安全电路。隔爆外壳的防爆原理就是将在正常工作下和故障状态下可能产生火花（电弧）的部分放在一个或几个外壳中，这种外壳将其内部的火花、电弧与电气设备使用环境中的爆炸性气体隔开，使得外部环境进入壳内的爆炸性混合物，被壳内火花或电弧引爆时，外壳不致被炸坏，并且不使爆炸生成物通过联结缝隙传出引爆周围环境中的爆炸性介质，这种外壳称为“隔爆外壳”。简单地讲，就是要求外壳具有耐爆性和不传爆性。本质安全电路（简称本安电路）的安全原理在于，限制电路在正常状态和故障状态下所产生的电火花及热效应均不能引燃爆炸性气体混合物。在本安电路中，必须将其切换放电能量限制在安全值（0.28mJ）以下，故需限制其电流和电压本安型电路是本质安全的，其防爆原理既不是把电气设备放在隔爆外壳内，也不是采取隔离火源的方法，而是电路本身不能引燃爆炸性气体，所以又叫安全火花电路。煤矿井下防爆设备中装设本安腔，保护系统的核心部分安放在本安腔中。
2漏电保护新方法
漏电故障在煤矿供电故障中占到 80%以上，因此研制可靠的漏电保护非常必要。但是现在应用的综合保护中的漏电保护都是按照《矿用隔爆型配电装置》的国家专业标准的规定设计的，其方法为零序电流型漏电保护或零序功率方向型漏电保护。这两种漏电保护都是针对中性点不接地电网设计的。这是由于上个世纪 80 年代我国煤矿供电大都采用中性点不接地运行方式。但是，随着煤矿供电距离的不断增加，电网对地电容电流不断增大，现今已经大部分都改为了中性点经消弧线圈接地方式运行。因此，上述漏电保护方法已经无法实现准确保护。同时，上述漏电保护还存在易受漏电故障点接地电阻的影响等缺点，据此，本文针对中性点接地方式的不同以及消弧线圈的不同调节方式，提出了分类的漏电保护原理，从而提高了漏电保护的准确性和适应性。其原理如下：在中性点不接地电网中故障线路开关所测的零序电流等于所有非故障部分零序电流之和，且方向相反，因此可以根据这些特征来实现漏电保护。零序电流型漏电保护和零序功率方向型漏电保护基于上述原理而提出的。但是在煤矿实际应用中由于漏电故障又包括金属性、高阻性等多种类型的漏电故障。随着接地电阻的增大，零序电压和零序电流不断减小，造成零序电流型漏电保护经常出现拒动现象，而零序电流功率型漏电保护出现误动或拒动现象。
3防护措施
3.1具有通讯闭锁的短路保护新方法
现在煤矿上的高压防爆开关的短路保护和过流保护在理论应用上不存在问题。但是，由于煤矿上各开关之间输电电缆有可能距离很短，如只有几百米、几十米，或者上级保护的整定值比下级线路末端的最小短路电流还小，因此二者之间必然造成越级跳闸，从而影响煤矿的供电和生产。如通过整定值来解决越级跳闸，则保护的灵敏度不够，且煤矿安全规程也不允许，针对上述情况本文提出了在不改变原有电流保护整定方法的基础上通讯闭锁短。路保护，来实现短路保护的选择性。其原理如下：当下级开关检测到短路故障后首先对上级开关发出短路保护闭锁信号，一直到短路故障切除。上级开关接到短路闭锁信号后将短路保护闭锁。为防止下级开关或保护故障造成短路故障不能及时切除，上级闭锁功能一般只维持很短时间（即躲下级保护跳闸时间，一般可设 100～200 ms），此时不论闭锁信号是否解除，短路保护都恢复工作。
3.2中性点不接地系统漏电保护
由于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生漏电故障时，故障线路开关所检测到的零序电流的特征不同而无法采用相同的漏电保护原理。因此，要保证开关保护在各种中性点接地方式下都能准确工作，其保护原理必须采用与中性点接地方式相对应的分类漏电保护原理。
由上述分析可见，在中性点不接地电网发生漏电故障时，故障线路检测的零序电流不仅与电网的对地电容有关，而且也与发生漏电故障处的接地电阻有关。而现有防爆开关中的漏电保护是以零序电流来整定的，如果整定过大则可能造成高阻接地时出现拒动现象；当整定过小时则可能出现误动现象。而漏电故障时的接地电阻的阻值是个不确定的值，所以无法通过整定来完全消除上述出现的拒动或误动现象。有的随调式消弧线圈为了提高漏电保护的准确性，在发生漏电故障后，自动将补偿电流短时加以改变来实现漏电保护。此时，该方法可以实现2次判断，提高保护的准确性。
3.3开发井下电气系统监控系统
系统的现场总线一般使用CAN、Lon—Works、Profibus等总线。使站内通信层安全可靠。各装置的信息在通信层共享，取消了大量的控制电缆，减少施工难度及维护工作量，大大节省人力、物力，降低成本。各装置一般采用全汉化大屏幕液晶显示，显示内容包括树形菜单、送信、遥测、跳闸报告、告警报告等。通常配置有小键盘，使调试、运行、维护极为方便。系统的关键部分是综合保护测控装置，或称“四合一”装置（保护、遥测、遥控、送信装置），是按一个元件（一个间隔）一个保护测控装置分布式设计配置，可直接安装在开关柜上。各间隔功能独立，各保护测控装置之间仅通过网络联结。网络组态灵活，使整个系统的可靠性得到很大提高，任一装置故障仅影响到相对应的元件，各保护测控装置除就地分散安装在开关柜上，也可集中组屏。
结论
由于煤矿的特殊环境，所以电气设备用于煤矿井下时需采取防爆技术，从而保障井下煤矿工人的生命财产安全。
参考文献：
[1] 张四海，吴红斌. 基于DSP的高压防爆开关微机保护控制器的研制[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2011（02）
[2] 王洪伟，许涛. 煤矿高压防爆开关欠电压保护的分析与改进[J]. 山东煤炭科技，2010（03）
[3] 胡满红. 煤矿井下高压防爆开关控制器的改进设计[J]. 煤炭工程，2009（07）
[4] 叶予光，卞和营，王泳. 煤电钻综合保护装置中载频短路保护技术研究[J]. 煤矿机械，2009（10）
[5] 王洪伟，许涛. 煤矿高压防爆开关欠电压保护的分析与改进[J]. 山东煤炭科技，2010（03）