文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

目前，矿井井下的供电系统主要是由两种类型的供电系统组成：一种是以交流电为主供电的供电系统，另一种是以直流电为主供电的供电系统。

交流电又分为三相异步电动机的工作电源和其它一些非正弦波电源。我国目前主要使用的是三相异步电动机工作电源，因为它可以直接拖动设备，所以应用广泛。但由于三相异步电动机不能直接拖动设备，所以在煤矿井下使用较少。

非正弦波电源包括：单相交流电和两相交流电。它们都是由电力电子装置产生的，只是在应用上有一定的差别：单相交流电由电力电子器件产生，所以它的电压频率很高，而三相交流电由电子元器件产生，所以它的频率很低；

两相交流电由整流元件产生，所以它有比较大的电流；单相和两相交流电都是通过变压器降压后输出，所以它没有比较大的功率因素。

在煤矿井下用电设备中，电压、电流和功率因素都比较低，因此需要在供电系统中增设一些保护装置来确保人身和设备的安全。

变频器是目前工业应用中最广泛、使用最频繁的一种电力电子设备，它广泛应用于工业控制领域。在矿井下由于操作不当或维护不及时而发生漏电时，如果没有及时断开电源，就会对设备造成损坏；

同时由于其控制功能较强，还可能会造成人员伤亡。目前矿井下采用的漏电保护装置一般分为两类：一类是以漏电电流为主信号进行检测的保护装置，另一类是以零序电压为主信号进行检测的保护装置，我国矿井下电力设备漏电保护研究起步较晚，但发展迅速。

注入式漏电保护原理

变频器的漏电保护装置是将检测到的电网的漏电信息传输到微机上，利用微机技术实现了对电网漏电情况的监测，并通过检测到的电流信号（包括故障信号和非故障信号），可以实现对变频器是否正常工作的判断，从而实现了对变频器漏电故障的保护。

矿用变频器一般采用单相交流电源供电，电压为V。低压电网中发生单相接地故障时，由于零序电流比较大，流过漏电保护装置检测到的电流可能是零序电流或者是零序电压，在这种情况下，漏电保护装置无法区分出故障线路和非故障线路。

如果将一段电缆与变频器直接相连（包括变频器本身），由于电缆中存在着许多干扰信号，当发生单相接地时，通过电缆与变频器相连的所有线都会产生很大的零序电流（包括故障信号），而单相接地时被保护线路中没有任何一个点出现零序电流（包括故障信号）。

因此在进行漏电保护时需要先判断出单相接地时哪些线路会产生零序电流。这时就需要找到一个准确的测量点来判断出哪些线路发生了单相接地故障。

检测点的选择对保护装置有重要意义：当发生单相接地时，故障线路中会产生零序电流，而非故障线路中不会产生零序电流；从上述几点可以看出检测点只能是单相接地时才能正确判断出单相接地故障。

变频器的输出侧，是一个高电压、大电流、大非线性的“三高一大”装置，由于其内部的电子元器件众多，分布复杂，所以对绝缘电阻的要求非常高。

变频器运行时会产生大量谐波电流和高次谐波电压，这些谐波电流和高次谐波电压经过整流、滤波等处理后进入电网，引起电网电压畸变，使电网电压的有效值降低，从而影响电机的正常运行。

变频器在启动时会产生高次谐波电流（主要是6个倍频及4个倍频），会对电网产生干扰（主要是6个倍频及4个倍频）；

对电网中其他电气设备造成干扰（主要是6个倍频及4个倍频）；对电网中其它电气设备（如变压器、电机等）产生干扰（主要是6个倍频及4个倍频）。

变频器输出侧产生的高次谐波电流会在电机中产生一个与输入端相对应的“转差率”（频率响应特性），当“转差率”大于额定值时，电机绕组会发热，而当“转差率”小于额定值时，电机就会跳闸。

变频器输出侧产生的高次谐波电流会通过电缆对电网中的其他电气设备产生影响（主要是6个倍频及4个倍频），因此在低压变频器启动时必须先对电机进行绝缘电阻测量。

但是煤矿井下由于潮湿、粉尘和化学试剂等原因，会使绝缘电阻大大降低，所以在这种情况下不能启动变频器。

另外如果变频器内设置有漏电保护装置的话，由于漏电保护装置具有一定的误动作率，所以当变频器发生漏电事故时，漏电电流无法在变频器内被检测到，导致漏电保护器不能动作。

MATLAB的仿真验证

MATLAB仿真软件是一个多学科、多功能的工具软件，其应用领域非常广泛，特别适合于进行科学研究，在数学建模、系统分析、信号处理、计算机辅助设计等方面都有广泛的应用。本课题中，利用MATLAB软件的强大功能对煤矿井下低压矿用变频器漏电保护系统进行建模和仿真。

在MATLAB环境下建立了“电动机-变频器”的系统模型，电机是低压矿用变频器中最重要的元件，变频器通过电压、电流采样传感器测量电机端电压和电流，

将信号处理后送到ARM处理器中进行分析和判断，当检测到有漏电发生时，利用“注入式漏电保护”装置中的电流检测模块检测出电流信号，判断是否存在漏电发生。

若存在漏电发生，则把信号经放大后送到“注入式漏电保护”装置中进行判断并输出相应信号给变频器以报警。

在MATLAB中建立了“电动机-变频器”的仿真模型，电机端电压为V，频率为50Hz；变频器输入电压为V；变频器输出电压为V。该仿真模型可以较为真实地模拟低压矿用变频器发生漏电时的情况。

利用MATLAB中提供的“注入式漏电保护”软件对低压矿用变频器的漏电保护系统进行仿真，通过仿真可以验证该“注入式漏电保护”系统能够及时准确地判断出井下低压矿用变频机电设备发生漏电事故的类型及部位，并对其进行报警。

该仿真模型已经应用于实际现场的测试中，现场测试结果与仿真结果一致，表明该“注入式漏电保护”系统能够对低压矿用变频机电设备的漏电进行准确判断并报警。

变频器如何接入系统

在变频器的控制电路中，我们可以直接使用普通的继电器与变频器的控制电路进行连接，在变频器中设置一个“PLC启动/停止”按钮，在“PLC启动/停止”按钮下方，设置一个输入/输出模块，将变频器的输入、输出信号接到该模块上。

PLC启动/停止按钮的作用是：当变频器处于起动或停止状态时，如果该按钮处于按下状态，则系统将会对变频器进行强制操作；当该按钮处于按下状态时，

则表示系统不需要进行强制操作，变频器将会进入“软启动”状态；当该按钮处于按下状态时，则表示系统需要进行强制操作。

输入/输出模块：该模块是连接到变频器的输入/输出端子上，它接收到输入、输出端子的信号后，将这些信号按照一定的算法进行处理后，将这些信号传递给PLC模块中的相应端口。

PLC控制模块：当PLC模块接收到输入/输出模块传送来的信号后，会对这些信号进行分析和处理，并根据一定的算法将处理后的结果返回给输入/输出模块，在以上连接方式中，PLC模块和变频器之间使用一根线连接起来。

其中第一条线是输入端；第二条线是输出端；第三条线是信号转换接口。在实际使用中可以根据现场情况选择接线方式。

通过以上分析，我们可以得出以下结论：系统采用了单总线控制结构；在变频器运行时不需要进行强制操作；该系统在输入端与输出端之间使用了一根电缆连接起来；

故障位置的影响

在煤矿井下，变频器是用来实现井下低压电力电子设备的软、硬件控制和通信的，主要用来对煤矿井下电动机、电器设备和照明线路进行控制。

它的最大特点是将电力电子技术、计算机技术、自动控制技术及现代通讯技术有机地结合在一起，并广泛应用于煤矿井下供电领域，是煤矿井下最主要的用电设备之一。

变频器在煤矿井下使用中会经常出现各种各样的故障，如：绝缘下降、电机过热、绝缘击穿、短路等故障，其中漏电是最为严重的故障之一。

当变频器在运行时，由于电网电压中含有一定的直流分量和谐波分量，如果不加衰减地注入电网中，很容易使电网中出现一个幅值较大的电压波形，这对于变频器而言是非常危险的。

一般变频器在使用过程中由于老化、操作不当或其他原因会造成变频器内部绝缘下降或击穿，从而引起变频器漏电。如果直接注入电网中会使电网电压瞬间升高或降低，不仅对变频器本身的工作不利，也会对其它设备造成危害。

针对以上问题，本文提出了一种新型的矿井低压电网漏电保护装置，这种漏电保护装置在进行漏电保护时不需要增加任何附加装置，当变频器在运行过程中发生漏电故障时不会对其他设备造成影响。

通过对正常情况下变频器内部绝缘情况进行分析可知，当发生漏电故障时，变频器内部会出现一个幅值较大的电压波形。该波形对其他设备的运行影响很小，且在对电网注入漏电保护装置后也不会对电网造成影响。所以该新型漏电保护装置适用于煤矿井下低压电网。

笔者观点

目前，国内的漏电保护在技术上已经成熟，但在应用上还存在很多问题，例如：由于煤矿井下环境比较恶劣，一般的漏电保护装置在煤矿井下很难正常工作，而造成漏电保护装置无法正常工作的原因有多种，但是对漏电保护装置在煤矿井下的应用也有很大的影响；

随着煤矿井下电气设备的增多和大量使用，井下电力电缆及设备在运行中出现故障的概率也随之增加，这就造成了漏电保护装置不能及时跳闸而使其不能正常工作；

由于井下环境的影响，一些矿井存在电气设备绝缘老化等现象，这些都会对漏电保护装置的正常工作产生影响；

参考文献

许成权《矿用变频器在井下供电中的应用研究》煤炭工业出版社，年。

陈宏亮《矿用变频调速系统的研究与应用》中国机械工程，年。

袁玉平《电子技术与应用》中国电子技术，年。

杨文瑞《矿用变频器的零电流保护和接地故障保护的研究与应用》中国矿用机械工程，年。

钟永和《井下低压电网漏电保护的研究与应用》北京电力，年