曹 兴

(潞安环保能源开发股份有限公司，山西 长治 046204)

为保证人身安全、减小单相接地电流产生火花而引起瓦斯、煤尘爆炸的可能性，我国煤矿井下低压配电网普遍采用变压器中性点不接地三相交流供电系统[1]。

目前，井工煤矿井下电网主要采用矿用电缆连接变压器、馈电开关、磁力启动器、软启动装置或变频器的架构为井下各类负载供电。据不完全统计，单相漏电和单相接地约占井下电网总故障的70%，井下移变和馈电开关常用的PIR系列综合保护器应用附加直流电源检测法、零序电压法、零序电流法等其中一种原理实现漏电保护有一定局限性和缺点[2-6]，在井下现场实际应用过程中，移变低压头和馈电开关漏电保护都采用附加直流电源检测法时，常常会出现负载送电时漏电保护误动作现象，影响井下电气设备和负载的安全可靠运转，而对称分量法是分析三相电力系统不平衡状态的有效方法，其基本思想是借鉴物理矢量的合成分解原理将电网故障时产生的三相不平衡正弦电量分解成三相对称的正序分量、负序分量和零序分量[7]。本文将故障状态时的零序分量鉴别法和常用的附加直流电源检测法相结合应用于井下开关的漏电保护，有效避免了井下总馈电和分馈电保护同时作用时的误动作，保证故障状态时有选择性切断故障支路，保障井下供电系统的安全可靠性。

1 对称分量法基本原理分析

煤矿井下供电系统是ABC三相交流系统，对称分量法中的正序、负序和零序分量是根据三相正弦相量的相序来定义的，以电压为例，如图1所示。

图1 对称分量法中的正序、负序和零序分量示意

正序分量：A相电压相位角为0°，B相电压相位角为120°，C相电压相位角为240°；

负序分量：A相电压相位角为0°，B相电压相位角为240°，C相电压相位角为120°；

零序分量：A相、B相和C相电压相位都是0°。

选择A相电压为参考基准相，即A相相位为0，井下供电系统中三相交流相量与其对称分量之间的关系为[3]：

UA=UA正+UA负+U0

UB=α2UA正+αUA负+U0

(1)

UC=αUA正+α2UA负+U0

式(1)中，α为旋转因子，α=ej120°，α2=ej240°，UA、UB和UC为A、B、C三相交流相量，UA正为A相的正序分量，UA负为A相的负序分量，U0为A、B、C三相的零序分量，三相的零序分量相同，由上式联立求解得：

(2)

对于正常工作三相对称的井下供电系统，负序和零序分量为零，系统出现各类故障时，通常就变得三相不再对称。井下电网供电系统中发生单相接地故障时，系统产生正序、负序和零序分量；发生两相短路故障时，系统产生正序和负序分量；发生两相短路接地故障时，系统产生正序、负序和零序分量；三相短路故障和正常运行时，系统仅有正序分量[8-9]。

2 对称分量法在井下电网故障保护中的分析应用

以单相对地漏电短路故障为例进行分析，图2为井下供电电网等效电路图。

图2 井下供电电网等效电路

3条出线支路L1、L2和L3，每条支路对地电容分别为C1、C2和C3，则任一相对地总电容为CZ=C1+C2+C3，正常情况下，电源为星形的相位互差120°对称三相正弦交流相电压，用相量表示为UA、UB和UC，变压器二次侧中性点N对地电压UN为0，由于电源电压、三相电容和三相电机感性负载都对称，则任一支路中负序、零序电压和负序、零序电流的相量和都为0。

以L3的C相对地短路时产生的零序分量为例进行分析，见图2所示，UN+UC=0，则有：UN=-UC，A相和B相的对地电压U'A和U'B为：

由式(2)得，零序电压为：

依据上述结论，可监测零序电压数值大小判断出C相发生接地，但是无法明确是哪一条支路发生接地故障，无法实现选择性切断故障支路。继续对零序电流进行分析，故障相的电容电流为0：

IC1=IC2=IC3=0

L1出线A相和B相的电容电流IA1和IB1为：

同理可得，L2和L3出线A相和B相的电容电流IA2、IB2、IA3、IB3：

L1线路中三相电流不对称，由对称分量法可得，其零序分量为：

同理可得，L2线路中零序电流为：

I20=UωC2∠30°

按照图1所示参考方向，接地电流Id为：

Id=-(IA1+IA2+IA3+IB1+IB2+IB3)=3UωC∑∠-150°

则，L3线路中零序电流分量为：

=-(I10+I20)

=Uω(C1+C2)∠-150°

以UA为参考相量，零序电压和零序电流的相量图如图3所示。

图3 L3支路C相接地故障时零序电压和零序电流相量

显然，对于非故障的L1和L2支路，零序电流超前零序电压90°相位角呈电容特性；对于L3故障支路，零序电压超前零序电流90°相位角，呈电感特性。依此特性，采样检测零序电压和零序电流，依据相位关系，可判断出故障支路，选择性切断故障支路，降低电路故障的波及范围。井下1 140 V/660 V供电用馈电开关配置可互相切换的附加直流电源漏电保护和零序分量漏电保护两种装置，用作总馈电开关时，采用附加直流电源检测装置[10]，用作分馈电开关时，采用零序分量漏电保护检测装置。

以潞安集团某矿井下胶带机头驱动电机供电系统为例，移动变压器低压头采用附加直流电源漏电保护，当下一级分馈电开关也采用附加直流电源漏电保护装置时，由于两套附加直流电源保护装置同时检测接地电流，截面增大电阻减小，移动变压器低压头常常在带式输送机启动运转过程中出现误动作情况。将下一级分馈电开关拨档切换到零序分量漏电保护装置时，低压头和馈电开关未再发生误动作现象，带式输送机负载运转正常，漏电故障状态下，选择性切断故障支路，有效保障了井下低压供电网络的安全性和可靠性。

3 结 语

煤矿井下供电系统常出现单相接地和两相短路接地故障，依据对称分量法分解出的负序分量或零序分量，对故障类型和故障支路进行鉴别，依据馈电开关用途，分别采用附加直流电源装置和零序分量检测装置实现漏电保护，应用到井下现场电机负载后，既避免了总馈电和分馈电同时应用附加直流电源检漏装置时的误动作，又能实现接地故障时安全可靠切断故障支路。