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采用接地故障分流技术保障爆炸危险场所电气安全使用

文档作者：康金华文档来源：南阳理工学院		点击数：	更新时间： 2021年01月26日
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38 采用接地故障分流技术保障爆炸危险场所电气安全使用 《电气防爆》2oo2，2
采用接地故障分流技术保障爆炸危险场所
电气安全使用
南阳理工学院康金华节译
[摘要】介绍了一种新技术，将爆炸危险场所配电电缆中发生的接地故障快速分流
至安全隔爆外壳内的关联断路器中。由于故障分流快速而有效，因此故障点上的故障能
量释放急速减少。该故障分流装置用于存在氢气一空气和甲烷一空气混合物高爆炸危险
环境中的配电系统上效果非常好。
1 引言
煤矿井下用于电能传送的电缆无疑是最常见
的电气故障点。特别是单独或集合屏蔽的供给采
煤工作面机械电源的挠性拖曳电缆。多数国家尽
管将煤矿井下在550 V和1．1 kV用电电压时的接
地故障电流值限制在750 mA，但由于接地故障，
拖曳电缆上的断路电火花仍可能导致甲烷或煤尘
爆炸。电源系统的中性点断开绝缘也会导致类似
情况发生，由于接地故障电流使得系统电容量可
能释放足够的危险能量，引起甲烷或煤尘爆炸。
形成接地故障电流，对引入采掘工作面的高电压，
特别是机械化程度高的长壁采掘工作面，电压高
达3．3 kV，情况则更为严重。
本文介绍一项新专利技术——接地故障分流
技术。通过该项技术，配电电缆上无论何处出现接
地故障，均可由连接在断路器中的高速电子电路检
测到，使得外部接地故障被急速分流到一个安装在
安全隔爆外壳中的、由电子断路器实现的人为引起
的可靠接地。故障点上的断路电火花危险能量急
速释放，大部分故障能量将分流到隔爆外壳内的断
路器上，断路器跳开，故障电路被隔离。
该故障分流系统基本上由一个鉴别故障相的
接地故障传感器和超速故障转换装置组成。故障
传感器能正确识别接地故障电缆的相位，并且将
外部接地故障传送至防爆外壳内，引起外壳内断
路器感应接地故障。
故障分流技术使用的是静止式开关，该开关
是一种与低时间常数舌簧式继电器相结合的双向
可控硅整流器。在动力电缆外部接地故障时，故
障分流器能够绝对安全地阻止甲烷一空气以及氢
气一空气混合物的爆炸。接地故障分流技术能够
安全地用于煤矿井下、石化工业及其他通常由于
电缆漏电而引发爆炸的危险环境。
2 接地故障的检测和分流
接地故障传感器和故障鉴相器，其核心由三
个降压变压器、发光二极管(LEDs)、光电晶体管
和场效应管(UJTS)组合构成。在动力电路正常的
情况下(即在无任何接地故障的时候)，变压器的
次级线圈(TR 、陬2、，m，)感应足够的电压点亮
LEDs。LEDs的发光照射到光电晶体管( 、 、
)上，使之持续通电并且阻止u瓜( 、TY、TB)
振荡。于是，双向可控硅整流器(TH)保持断开状
态。而在个别相接地故障时，假设为B相接地
(见图1)，变压器连到B相的次级电压陬1的降
低或完全消失要视接地故障电阻值(RF)而定。
相关的LED发光非常微弱或熄灭。此时，光电感
应晶体管( )关闭，场效应管(TB)开始振荡。持
续高振荡频率，双向可控硅整流器(TH3)快速接
通，在电源电压正负半周时均可快速接通。这样，
该相上的外部接地故障极快地分流到防爆断路器
的内部，因此，大部分的外部故障能量被分流到了
断路器的内部。
双向可控硅整流器(TH3)将该电压跃过接地
故障相引至相对接地的约1．0 V(nns)的正向传导
电压，跨越外部故障点出现的低次电压，其产生的
电火花(如果产生的话)绝对安全，不会引起爆炸。
在发生电缆可靠接地故障时，跨越双向可控硅整
流器的电压常常跌至极低值，尽管有足够的触发
脉冲，可控硅整流器也不会接通。这种情况可用
三个低时间常数的舌簧式继电器(R 、R 、 )克
服，其中有一个在相应的可控硅整流器上触发而
快速接通。对于B相上的接地故障(图1)，双向
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《电气防爆》2002，2 采用接地故障分流技术保障爆炸危险场所电气安全使用 39
可控硅整流器(TH3)继之以舌簧式继电器(R，)动
作而首先接通。继电器的连接，在监测接地故障
之后。并且不管可控硅整流器(TH3)接通与否，均
使可控硅整流器(TH3)短路大约lms。然而，在实
验室中接地故障模拟实验期间，很少觉察被接通
的双向可控硅整流器有故障。即使在这种情况
下。总故障转换时间也非常短(约2ms)，在此期间
发生的外部接地故障绝对不会引起爆炸危险。
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加载
故障
图1 电缆终端盒中的故障分流器基本电路
双向可控硅整流器(TH 、TH2和TH3)，跨过 地故障(超过80 mA临界值)的情况下，开关晶体
可控硅整流器连接相应的R—c缓冲器，防止瞬 管(Ts)关闭，联锁机构移开。此时，高频振荡器使
时过电压。这样，通过缓冲抑制器有效制约施加 有关可控硅整流器动作。磁路平衡变压器(CBT)
到可控硅整流器上的最大dvldt。缓冲器也可跨 的补充连接只对联锁电路起辅助作用，不会干扰
越舌簧式继电器的开路接点，维持瞬时过电压(舌 普通故障保护用电子接地故障信号继电器的正常
簧式继电器可承受8 kV，l／5 冲击波试验，跨过 运行。CBT次级电压非常弱，相关高频振荡器保
开路接点2．1 kV nns)。 持闭锁状态。基于联锁系统的CBT确保故障分
实际情况是，采掘工作面配电变压器，可控硅 流器对内外接地故障做出最佳选择。
开关装置，可通过其特殊的一般通称为电缆终端 故障换向器还采用了另一个重要的联锁机
盒的隔爆空气断路器向若干并联的电缆供电。安 构，该机构可保证在单一线路对地故障期间，在个
装在所有电缆终端盒(GEBs)中的接地故障换向 别相关闭，连接相与地之间的双向可控硅整流器
器可能缺乏平衡辨别能力，因而在个别电缆支路 只能在GEB内接通，同时其他的可控硅整流器闭
出现接地故障期间，所有的接地故障换向器将会 锁，以防止合闸，确保在分流外部接地故障期间，
起动并且将故障分流至相应的GEBs内。这种情 避免发生双线接地故障或三相完全短路(图1)。
况可通过设置一适当地能非常有效地辨别来自内 联锁机构由三个联锁晶体管Tn组成(该图仅仅展
部或外部接地故障的联锁电路来克服。内外故障
鉴别器的动作，以设置的电缆终端盒的磁路平衡
变压器为基准，由一个一次谐波过滤器、一个放大
器和一个精确等级比较器组成一个简单环路，在
接地故障电流值低于临界值(80 mA)时进行调整，
输出功率正确，可使互锁开关晶体管(Ts)连续导
通，从而使缓冲振荡器的C短路(图1)。这种情
况可保持高频振荡器处于关闭状态。在发生内接
示了简单的连接)。
3 试验结果
在模拟接地故障情况下，用典型限定中性配
电系统对550V和1．1kV动力电进行精确的测试。
两种情况均使用适当的中性电阻器将接地故障电
流最大值限制在750 mA。用数字式示波器测定接
地故障换向器和故障传感器的运行时间。可控硅
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40 采用接地故障分流技术保障爆炸危险场所电气安全使用 《 堕 ：
整流器的切换时间(SCRs的接通时间)不足
10o ，(由于CBT主要用于内部电路连锁控制系
统)接地故障读出时间相对要长，大约lms。模拟
故障状态期间的总故障转换时问大约为1．1ms。
GEBs清除故障的跳闸时间相当长，大约120ms，在
调整瞬间跳闸时，调整故障继电器。此时，从爆炸
危险的观点来看，断路器的调整速度并不重要，在
断路器的防爆外壳内，故障分流得非常快，断路
器在其特定时间内断开故障电路。
断路闪燃器用来模拟各阶段接地故障，接地
故障持续时间通过调整断路闪燃器的接触隔离速
故障分流器效果时，可在断路闪燃器中使用
8．3％甲烷一空气混合物，也可使用32％氢气一
空气混合物。
首先切断故障分流器电路(图2)，用充满
8．3％甲烷一空气混合物的断路闪燃器引发接地
故障。在断路闪燃器引发爆炸之后(几乎每一次
模拟故障均产生爆炸)，故障分流器(FD)接通，如
图2，再用8．3％的甲烷一空气混合物填充断路闪
燃器重复进行该试验。用断路闪燃器重复接地故
障试验250次，均未引起爆炸。再次断开故障分
流器(FD)，每次断路闪燃器引起接地故障时，均
度来控制。爆炸情况也通过该仪器监控。在测定 有爆炸发生。
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FD一故障分流器 接地回路 断路闪燃器 采掘工作面电力传动器
图2 故障分流研究用试验装置
研究接地故障分流技术的结果是，550V和 4．故障分流器在任何情况下，均不会对电缆
1．1kV电源限定中性配电系统，在采掘工作面配 终端盒接地故障信号继电器／断路器产生干扰。
电网的任何部分，在接地故障出现时，绝对不会使 5．接地故障分流技术研究结果显示，550V
最易诱发爆炸的甲烷一空气甚至氢气一空气混合 和1．1kV限定中性配电系统，在采掘工作面配电
物产生爆炸。 电缆的任何部分，在接地故障出现期间，绝对不会
4 结论
1．在多数情况，故障分流器能够将外部接地
故障非常快速地在1．1 之内分流至关联电缆终
端盒防爆外壳的内部。在绝缘情况下，总故障转
换时间大约2．0ms。
2．接地故障信号继电器的时间设定、电缆终
端盒的动作速度及其他矿用断路器不会影响故障
分流器的性能。
3．故障分流器能对80 mA及以上的接地故
障电流作出反应。调低接地故障信号继电器，该
值还可大大降低。
使最易诱发爆炸的甲烷一空气甚至氢气一空气混
合物产生爆炸。
参考文献
[1]D．K．Mittra“接地故障分流一地下煤矿电气安全应用
新技术”国际煤炭期刊(IrK)，1996年3月，Vo1．244，
No．2
【2]D．K．Mittra和K．R．M．Rao“地下煤矿电缆网离线短
路故障监控”采矿电气和采矿机械工程学会期刊
(uK)，1992年3月，Vo1．74，No．853。
[3]J．Holmes“采掘工作面电源接地故障电流极限”采矿
技术(UK)，1974年2月，Vo1．56，No．640。
节译自Industry Safety，conference-2000

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