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采用接地故障分流技術(shù)保障爆炸危險場所電氣安全使用

文檔作者：康金華文檔來源：南陽理工學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月26日
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38 采用接地故障分流技術(shù)保障爆炸危險場所電氣安全使用 《電氣防爆》2oo2，2
采用接地故障分流技術(shù)保障爆炸危險場所
電氣安全使用
南陽理工學(xué)院康金華節(jié)譯
[摘要】介紹了一種新技術(shù)，將爆炸危險場所配電電纜中發(fā)生的接地故障快速分流
至安全隔爆外殼內(nèi)的關(guān)聯(lián)斷路器中。由于故障分流快速而有效，因此故障點(diǎn)上的故障能
量釋放急速減少。該故障分流裝置用于存在氫氣一空氣和甲烷一空氣混合物高爆炸危險
環(huán)境中的配電系統(tǒng)上效果非常好。
1 引言
煤礦井下用于電能傳送的電纜無疑是最常見
的電氣故障點(diǎn)。特別是單獨(dú)或集合屏蔽的供給采
煤工作面機(jī)械電源的撓性拖曳電纜。多數(shù)國家盡
管將煤礦井下在550 V和1．1 kV用電電壓時的接
地故障電流值限制在750 mA，但由于接地故障，
拖曳電纜上的斷路電火花仍可能導(dǎo)致甲烷或煤塵
爆炸。電源系統(tǒng)的中性點(diǎn)斷開絕緣也會導(dǎo)致類似
情況發(fā)生，由于接地故障電流使得系統(tǒng)電容量可
能釋放足夠的危險能量，引起甲烷或煤塵爆炸。
形成接地故障電流，對引入采掘工作面的高電壓，
特別是機(jī)械化程度高的長壁采掘工作面，電壓高
達(dá)3．3 kV，情況則更為嚴(yán)重。
本文介紹一項(xiàng)新專利技術(shù)——接地故障分流
技術(shù)。通過該項(xiàng)技術(shù)，配電電纜上無論何處出現(xiàn)接
地故障，均可由連接在斷路器中的高速電子電路檢
測到，使得外部接地故障被急速分流到一個安裝在
安全隔爆外殼中的、由電子斷路器實(shí)現(xiàn)的人為引起
的可靠接地。故障點(diǎn)上的斷路電火花危險能量急
速釋放，大部分故障能量將分流到隔爆外殼內(nèi)的斷
路器上，斷路器跳開，故障電路被隔離。
該故障分流系統(tǒng)基本上由一個鑒別故障相的
接地故障傳感器和超速故障轉(zhuǎn)換裝置組成。故障
傳感器能正確識別接地故障電纜的相位，并且將
外部接地故障傳送至防爆外殼內(nèi)，引起外殼內(nèi)斷
路器感應(yīng)接地故障。
故障分流技術(shù)使用的是靜止式開關(guān)，該開關(guān)
是一種與低時間常數(shù)舌簧式繼電器相結(jié)合的雙向
可控硅整流器。在動力電纜外部接地故障時，故
障分流器能夠絕對安全地阻止甲烷一空氣以及氫
氣一空氣混合物的爆炸。接地故障分流技術(shù)能夠
安全地用于煤礦井下、石化工業(yè)及其他通常由于
電纜漏電而引發(fā)爆炸的危險環(huán)境。
2 接地故障的檢測和分流
接地故障傳感器和故障鑒相器，其核心由三
個降壓變壓器、發(fā)光二極管(LEDs)、光電晶體管
和場效應(yīng)管(UJTS)組合構(gòu)成。在動力電路正常的
情況下(即在無任何接地故障的時候)，變壓器的
次級線圈(TR 、陬2、，m，)感應(yīng)足夠的電壓點(diǎn)亮
LEDs。LEDs的發(fā)光照射到光電晶體管( 、 、
)上，使之持續(xù)通電并且阻止u瓜( 、TY、TB)
振蕩。于是，雙向可控硅整流器(TH)保持?jǐn)嚅_狀
態(tài)。而在個別相接地故障時，假設(shè)為B相接地
(見圖1)，變壓器連到B相的次級電壓陬1的降
低或完全消失要視接地故障電阻值(RF)而定。
相關(guān)的LED發(fā)光非常微弱或熄滅。此時，光電感
應(yīng)晶體管( )關(guān)閉，場效應(yīng)管(TB)開始振蕩。持
續(xù)高振蕩頻率，雙向可控硅整流器(TH3)快速接
通，在電源電壓正負(fù)半周時均可快速接通。這樣，
該相上的外部接地故障極快地分流到防爆斷路器
的內(nèi)部，因此，大部分的外部故障能量被分流到了
斷路器的內(nèi)部。
雙向可控硅整流器(TH3)將該電壓躍過接地
故障相引至相對接地的約1．0 V(nns)的正向傳導(dǎo)
電壓，跨越外部故障點(diǎn)出現(xiàn)的低次電壓，其產(chǎn)生的
電火花(如果產(chǎn)生的話)絕對安全，不會引起爆炸。
在發(fā)生電纜可靠接地故障時，跨越雙向可控硅整
流器的電壓常常跌至極低值，盡管有足夠的觸發(fā)
脈沖，可控硅整流器也不會接通。這種情況可用
三個低時間常數(shù)的舌簧式繼電器(R 、R 、 )克
服，其中有一個在相應(yīng)的可控硅整流器上觸發(fā)而
快速接通。對于B相上的接地故障(圖1)，雙向
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《電氣防爆》2002，2 采用接地故障分流技術(shù)保障爆炸危險場所電氣安全使用 39
可控硅整流器(TH3)繼之以舌簧式繼電器(R，)動
作而首先接通。繼電器的連接，在監(jiān)測接地故障
之后。并且不管可控硅整流器(TH3)接通與否，均
使可控硅整流器(TH3)短路大約lms。然而，在實(shí)
驗(yàn)室中接地故障模擬實(shí)驗(yàn)期間，很少覺察被接通
的雙向可控硅整流器有故障。即使在這種情況
下?？偣收限D(zhuǎn)換時間也非常短(約2ms)，在此期間
發(fā)生的外部接地故障絕對不會引起爆炸危險。
L 黻蘭 竺 ? 一一 ? 一 一一一一一一一一～
加載
故障
圖1 電纜終端盒中的故障分流器基本電路
雙向可控硅整流器(TH 、TH2和TH3)，跨過 地故障(超過80 mA臨界值)的情況下，開關(guān)晶體
可控硅整流器連接相應(yīng)的R—c緩沖器，防止瞬 管(Ts)關(guān)閉，聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)移開。此時，高頻振蕩器使
時過電壓。這樣，通過緩沖抑制器有效制約施加 有關(guān)可控硅整流器動作。磁路平衡變壓器(CBT)
到可控硅整流器上的最大dvldt。緩沖器也可跨 的補(bǔ)充連接只對聯(lián)鎖電路起輔助作用，不會干擾
越舌簧式繼電器的開路接點(diǎn)，維持瞬時過電壓(舌 普通故障保護(hù)用電子接地故障信號繼電器的正常
簧式繼電器可承受8 kV，l／5 沖擊波試驗(yàn)，跨過 運(yùn)行。CBT次級電壓非常弱，相關(guān)高頻振蕩器保
開路接點(diǎn)2．1 kV nns)。 持閉鎖狀態(tài)?；诼?lián)鎖系統(tǒng)的CBT確保故障分
實(shí)際情況是，采掘工作面配電變壓器，可控硅 流器對內(nèi)外接地故障做出最佳選擇。
開關(guān)裝置，可通過其特殊的一般通稱為電纜終端 故障換向器還采用了另一個重要的聯(lián)鎖機(jī)
盒的隔爆空氣斷路器向若干并聯(lián)的電纜供電。安 構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可保證在單一線路對地故障期間，在個
裝在所有電纜終端盒(GEBs)中的接地故障換向 別相關(guān)閉，連接相與地之間的雙向可控硅整流器
器可能缺乏平衡辨別能力，因而在個別電纜支路 只能在GEB內(nèi)接通，同時其他的可控硅整流器閉
出現(xiàn)接地故障期間，所有的接地故障換向器將會 鎖，以防止合閘，確保在分流外部接地故障期間，
起動并且將故障分流至相應(yīng)的GEBs內(nèi)。這種情 避免發(fā)生雙線接地故障或三相完全短路(圖1)。
況可通過設(shè)置一適當(dāng)?shù)啬芊浅Ｓ行У乇鎰e來自內(nèi) 聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)由三個聯(lián)鎖晶體管Tn組成(該圖僅僅展
部或外部接地故障的聯(lián)鎖電路來克服。內(nèi)外故障
鑒別器的動作，以設(shè)置的電纜終端盒的磁路平衡
變壓器為基準(zhǔn)，由一個一次諧波過濾器、一個放大
器和一個精確等級比較器組成一個簡單環(huán)路，在
接地故障電流值低于臨界值(80 mA)時進(jìn)行調(diào)整，
輸出功率正確，可使互鎖開關(guān)晶體管(Ts)連續(xù)導(dǎo)
通，從而使緩沖振蕩器的C短路(圖1)。這種情
況可保持高頻振蕩器處于關(guān)閉狀態(tài)。在發(fā)生內(nèi)接
示了簡單的連接)。
3 試驗(yàn)結(jié)果
在模擬接地故障情況下，用典型限定中性配
電系統(tǒng)對550V和1．1kV動力電進(jìn)行精確的測試。
兩種情況均使用適當(dāng)?shù)闹行噪娮杵鲗⒔拥毓收想?
流最大值限制在750 mA。用數(shù)字式示波器測定接
地故障換向器和故障傳感器的運(yùn)行時間?？煽毓?
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40 采用接地故障分流技術(shù)保障爆炸危險場所電氣安全使用 《 墮 ：
整流器的切換時間(SCRs的接通時間)不足
10o ，(由于CBT主要用于內(nèi)部電路連鎖控制系
統(tǒng))接地故障讀出時間相對要長，大約lms。模擬
故障狀態(tài)期間的總故障轉(zhuǎn)換時問大約為1．1ms。
GEBs清除故障的跳閘時間相當(dāng)長，大約120ms，在
調(diào)整瞬間跳閘時，調(diào)整故障繼電器。此時，從爆炸
危險的觀點(diǎn)來看，斷路器的調(diào)整速度并不重要，在
斷路器的防爆外殼內(nèi)，故障分流得非常快，斷路
器在其特定時間內(nèi)斷開故障電路。
斷路閃燃器用來模擬各階段接地故障，接地
故障持續(xù)時間通過調(diào)整斷路閃燃器的接觸隔離速
故障分流器效果時，可在斷路閃燃器中使用
8．3％甲烷一空氣混合物，也可使用32％氫氣一
空氣混合物。
首先切斷故障分流器電路(圖2)，用充滿
8．3％甲烷一空氣混合物的斷路閃燃器引發(fā)接地
故障。在斷路閃燃器引發(fā)爆炸之后(幾乎每一次
模擬故障均產(chǎn)生爆炸)，故障分流器(FD)接通，如
圖2，再用8．3％的甲烷一空氣混合物填充斷路閃
燃器重復(fù)進(jìn)行該試驗(yàn)。用斷路閃燃器重復(fù)接地故
障試驗(yàn)250次，均未引起爆炸。再次斷開故障分
流器(FD)，每次斷路閃燃器引起接地故障時，均
度來控制。爆炸情況也通過該儀器監(jiān)控。在測定 有爆炸發(fā)生。
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FD一故障分流器 接地回路 斷路閃燃器 采掘工作面電力傳動器
圖2 故障分流研究用試驗(yàn)裝置
研究接地故障分流技術(shù)的結(jié)果是，550V和 4．故障分流器在任何情況下，均不會對電纜
1．1kV電源限定中性配電系統(tǒng)，在采掘工作面配 終端盒接地故障信號繼電器／斷路器產(chǎn)生干擾。
電網(wǎng)的任何部分，在接地故障出現(xiàn)時，絕對不會使 5．接地故障分流技術(shù)研究結(jié)果顯示，550V
最易誘發(fā)爆炸的甲烷一空氣甚至氫氣一空氣混合 和1．1kV限定中性配電系統(tǒng)，在采掘工作面配電
物產(chǎn)生爆炸。 電纜的任何部分，在接地故障出現(xiàn)期間，絕對不會
4 結(jié)論
1．在多數(shù)情況，故障分流器能夠?qū)⑼獠拷拥?
故障非?？焖俚卦?．1 之內(nèi)分流至關(guān)聯(lián)電纜終
端盒防爆外殼的內(nèi)部。在絕緣情況下，總故障轉(zhuǎn)
換時間大約2．0ms。
2．接地故障信號繼電器的時間設(shè)定、電纜終
端盒的動作速度及其他礦用斷路器不會影響故障
分流器的性能。
3．故障分流器能對80 mA及以上的接地故
障電流作出反應(yīng)。調(diào)低接地故障信號繼電器，該
值還可大大降低。
使最易誘發(fā)爆炸的甲烷一空氣甚至氫氣一空氣混
合物產(chǎn)生爆炸。
參考文獻(xiàn)
[1]D．K．Mittra“接地故障分流一地下煤礦電氣安全應(yīng)用
新技術(shù)”國際煤炭期刊(IrK)，1996年3月，Vo1．244，
No．2
【2]D．K．Mittra和K．R．M．Rao“地下煤礦電纜網(wǎng)離線短
路故障監(jiān)控”采礦電氣和采礦機(jī)械工程學(xué)會期刊
(uK)，1992年3月，Vo1．74，No．853。
[3]J．Holmes“采掘工作面電源接地故障電流極限”采礦
技術(shù)(UK)，1974年2月，Vo1．56，No．640。
節(jié)譯自Industry Safety，conference-2000

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