（电机与电器专业论文）矿井供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t l e a k a g ei sm a j o rf a u l tf o r mi nu n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l ys y s t e m ，a b o u t7 0 i nt h e t o t a lf a u l t n o to n l yd o e si tc a u s e p h y s i c a le l e c t r o c u t i o na c c i d e n t ，w i l lf o r ma s i n g l e p h a s et og r o u n d ，a n dt h e nd e v e l o p e di n t oas h o r t c i r c u i tb e t w e e ne a c hp h a s e ， r e s u l t i n gi nt h ea r cc a nc a u s eg a sa n dd u s te x p l o s i o n t h eu s eo fl e a k a g ep r o t e c t i v e d e v i c ei sm a i n l yu s e dt op r e v e n tl e a k a g eo ft h ee c o n o m i cl o s s e sa n dp e r s o n a li n j u r y c a u s e db yf i r e ，s oi ti se x t e n s i v eu s e d t h es e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i v es y s t e mc a ng i v eo u ta l a r m i n gs i g n a lo ro u to f ft h e f a u l tb r a n c h e ss e l e c t i v e l yw h e nt h el e a k a g ef a u l th a p p e n s ，a n dt h en o n f a u l tb r a n c h e s a r ew o r k i n gn o r m a l l y i tc a nr e d u c et h ep o w e r - o f fr a n g ea n db ef a c i l i t a t et ol o o kf o r t h ef a u l t ，s h o r t e nt h ep o w e r - o f f t i m e ，a n dr a i s et h er e l i a b i l i t yo f p o w e rd i s t r b u t i o n t h ec u r r e n ts e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o ns y s t e mi sm a i n l yu s eo ft h ep r i n c i p l eo ft h e s i z eo fz e r o s e q u e n c ec u r r e n ta n dz e r o - s e q u e n c ec u r r e n td i r e c t i o ni n u n d e r g r o u n d t h i sp r i n c i p l ei sm o r ed i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fs e l e c t i v ew h e nal i n ei n l i n e sf a rl o n g e rt h a no t h e r s ( t h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ei sl e s st h es a m ea sd i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c eo ft h et o t a ls y s t e m ) p r o t e c t i o nd e v i c em a yo c c u rt h ep h e n o m e n o no f r e f u s a lt om o v e ，c a nn o tb eg o o dt oc o m p l e t et h ep u r p o s eo f p r o t e c t i o n b a s e do nt h ea c t u a l l e a k a g ep r o t e c t i v es y s t e mf o ru n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l y s y s t e m ，t h i sp a p e ra d v a n c eas c h e m ew h i c hb a s e do na d d i t i o n a ld cp o w e rs u p p l ya n d d i r e c t i o no fz e r os e q u e n c ep o w e r , a n dd s p i c 30 f 4 012i st h ec o r e a n di n t r o d u c et h e r e a l i z a t i o no fp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nt h i ss c h e m e t h ed e v i c eu s et h ep r i n c i p l eo f a d d i t i o n a ld cp o w e rs u p p l yi nm a i nf e e d i n gs w i t c h ，u s et h ep r i n c i p l eo fd i r e c t i o no f z e r os e q u e n c ep o w e ri nb r a n c hf e e d i n gs w i t c h ，a n du s ef a s t e rp r o f i b u sa n do p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ed e v i c e i tc a ni m p r o v ea c t i o nc a p a b i l i t ya n d a n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yo ft h el e a k a g ep r o t e c t i v ed e v i c ef o rp o w e r s u p p l ys y s t e m i nu n d e r g r o u n d k e yw o r d s ：l e a k a g e p r o t e c t i o n ，s e l e c t i v i t y ，d s p i c 3 0 f 4 012 ，p r o f i b u s ，o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论义的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叼。 学位论支作者繇音硪 签字嗍：7 年莎月扩小 翩签篆字驻夕搿e 1签字日期多口夕年月矿 独创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要页献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 旁式 日姆：冲7 年否其7 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国矿井供电系统的基本状况 1 1 1 矿井供电系统电压等级 从矿井供电系统电压等级上划分，我国煤矿供电系统经历了由3 8 0 v 到 3 3 0 0 v 的四个发展阶段。2 0 世纪6 0 年代以前，由于我国煤矿主要采用炮采方式 生产，井下采煤电气设备简单，装机容量小，供电电压为3 8 0 v 。随着8 0 机组的 使用，3 8 0 v 的供电电压就已经难以满足8 0 机组的供电需求。1 9 6 4 年原煤炭工 业部组织人员成立了煤矿工作面升压工作组。经过多次试验，确定将采煤工作面 供电电压提高到6 6 0 v 。7 0 年代，以液压支架和滚筒式采煤机为主体的综合采煤 机械化设备引进并投入煤矿生产。这样一来，进一步提高采煤工作而供电电压， 以适应煤矿生产需要的问题又被提上议事f 1 程。我国煤炭行业的科研人员和煤机 生产企业经过近十年的努力，研制出了千伏级的采煤工作面供电系统的全部装 备。8 0 年代以来，我国煤矿向提高采煤工作面单产、实现集中化生产和减人减 面的目标迈进，不断地更新采煤工作面装备，使综采工作面设备的装机容量不断 增大，出现了一批总装机容量已达1 5 0 0 k w 2 0 0 0 k w 的新型高产的综采工作面。 1 9 9 1 年1 1 月原煤炭工业部确定将我国煤矿综采工作面供电电压由1 1 4 0 v 提高为 3 3 0 0 v i 。由此可见，随着采煤工艺的不断进步，生产规模和牛产能力的不断提 高，矿用生产设备对屯网供电能力不断提出的新要求足促使煤矿供电系统电压等 级不断提高的原动力。 1 1 2 矿井供电系统基本结构 当前我国矿井绝大多数采用6 k v 或1 0 k v 双回路! 卣接下井，连接到不同容 量的井下动力变压器，将高压降压为3 8 0 v 、6 6 0 v 、11 4 0 v 、或3 3 0 0 v 动力电压 等级。再由不同型号的矿用电缆连接大容量移动变电站、多控锘i l l w l 路智能化组合 开关( 负荷控制中心) 、馈电开关或磁力启动器等配电用电气设备组成井下配电网 络，配合以各种综合保护设备，向井下通风器、采煤机、刮板输送机、转载机、 江苏大学硕士学位论文 破碎机和带式输送机等生产设备供电【2 1 。 从井下低压电网的基本结构看，我国煤矿井下供电电网有以下一些基本特 点： ( 1 ) 普遍采用中性点不接地方式。 煤矿供电之所以采用这种中性点绝缘的低压系统，是因为煤矿的生产条件和 工作环境都十分恶劣，空气潮湿，空i 、u j 狭小，很容易发生由于设备受潮而绝缘老 化或电缆由于受到外力挤压破损而造成单相接地或人身触电现象。对于中性点不 接地系统，发生单相接地故障时，由于大地不像中性点接地系统那样是同电位， 所以不会造成相问短路那样的大电流，这样不仅大大减小了人身触电电流，而且 避免了在发生短路接地故障时产生放电火花所可能引发的瓦斯爆炸。同时中性点 绝缘系统发生单相接地时，三相电之问仍然保持线电压不变，生产设备可短时继 续正常工作，不会造成因故障停电而引起的生产停顿。 ( 2 ) 一台动力变压器即为一个相对独立的供电单元。 井下电网的构成需要使用多台动力变压器。虽然这些动力变压器的高压侧是 数台联在一起，统一由6 k v 或1 0 k v 电缆供电，但它们的低压侧彼此在电气上 却没有什么联系，即采用的是所谓的分裂运行方式。每一台动力变压器和若干低 压馈电开关、磁力启动器、矿用电缆、电动机等用电设备一起组成一个小的相对 独立的供电系统。多个这样的小的供电单元构成了整个井下低压电网。这种供电 单元之问的电气上的无关性，为分析供电单元故障和保护装置的运行提供了极大 的方便。这一点对漏电保护的实现尤为重要。 ( 3 ) 供电方式有放射式、干线式和混合式三种。 放射式就是以动力变压器为中心，分别向各个用电设备引出专线的供电方 式。各供电回路之间彼此独立，供电回路间出了故障互不影响，但这种供电方式 线路总长度较长。干线式供电是以动力变压器为起点，用一条线路把各个用电设 备按从近到远的原则串联起来。这种方式可以节约大量电缆，但一旦某段线路出 现了故障，将造成以后各段被迫停电。混合式供电是兼有放射式和干线式以及二 者结合的供电方式。由于这种供电方式适应实际供电需求的灵活性要求，所以是 实际应用中使用最多的电网结构f 3 】。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 矿井供电系统选择性漏电保护装置的重要性 在矿井中，大部分供电线路为电缆供电，井下空间狭小，环境恶劣，阴暗潮 湿，供电电缆的受潮和机械损伤使电缆经常发生单相漏电故障。因单相漏电而出 现过电压的机率更大，加上井下电缆潮湿和易受到硬压挤碰，电缆绝缘情况较地 面的更差，承受过电压的能力也更差。当煤矿供电电网发生单相漏电特别是单相 接地时，在接地处极易引起电弧接地过电压，很可能击穿供电电缆的绝缘薄弱处， 造成两相接地短路并且还可能导致瓦斯、煤尘爆炸，甚至使电气雷管提前引爆。 装设漏电保护装置对矿井安全生产尤为重要。主要体现在： ( 1 ) 防止漏电流引燃瓦斯和煤尘 当空气中的瓦斯浓度在5 - - - - 1 5 ，氧气浓度适当，并遇上点火源时，便会 引起爆炸。电缆与其他井下电气设备相比更易受损。当电缆受损后，由于绝缘被 破坏，便有漏电流。漏电流就有可能成为点火源。由于瓦斯的可能点燃能量很低， 仅为0 2 8 m j 。因此，及时有效的漏电保护装置可降低漏电流引燃瓦斯、煤尘的 可能性1 4 1 。 ( 2 ) 防止漏电流引爆电气雷管 漏电流可能会造成电气雷管的引爆，并造成重大事故。由于一般引爆电气雷 管的电流( 大于3 0 0 m a ) 大于人身触电安全电流，因此，满足人身触电无伤亡要求 的漏电保护必然能防止漏电流引爆电气雷管。 ( 3 ) 防止漏电流烧损电气设备 对于高压电路，由于电网分布电容大、电压高、漏电流大。凶此，漏电流的 长期存在可烧毁电气设备。尤其是橡胶电缆，如果单相漏电故障不及时处理，则 其漏电流可能会使电缆的绝缘受损而发展成两相短路，使故障事态扩大。对低压 电路，由于漏电流小，一般漏电流不能直接烧毁电气设备。但是由于漏电流长期 存在，电气设备局部发热使其绝缘局部老化加剧，必将大大缩短电气设备的寿命， 而漏电保护则使电网不可能长时间地存在漏电流。因此，可有效地防止漏电流烧 损电气设备。 而对于漏电的保护全世界通行的保护方法有保护接地法、保护接零法、隔离 变压器法、超低电压法、双重绝缘法、位置绝缘法以及依靠漏电保护电器来切断 漏电事故电路的漏电分断法【5 】。漏电保护电器法是以上诸多方法中最行之有效的 江苏大学硕士学位论文 漏电保护方法。纵观世界漏电保护电器的发展史，经济发达国家在2 0 世纪6 0 7 0 年代就基本普及漏电保护器。我国在9 0 年代末城市中也基本普及了漏电保护器。 根据统计结果，对于普及了漏电保护器的国家和地区，漏电事故明显下降。漏电 保护器的保护成功率明显高于保护接地法、保护接零法、双重绝缘法、位置绝缘 法等，虽然略低于隔离电压器法和超低电压法，但后两种方法适用面窄且成本高， 不宜普及，大大限制了他们的推广和使用。因此，用漏电保护器来降低漏电事故 的方法是我们的首选。 选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择地发出故障信号或 切断故障支路电源，而非故障部分继续工作。从而减小故障停电范围，便于寻找 漏电故障，缩短漏电停电时间，提高了供电的可靠性。因此，煤矿安全规程 第4 3 4 条规定：矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流不超过2 0 a 。 地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上，必须装设有选择性的译相接地保 护装置；供移动变电站的高压馈电线上，必须装设有选择性的单相接地保护装置。 井下低压馈电线上，必须装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置。 1 3 本论文的主要工作及内容安排 根据矿井漏电事故的统计，我国的井下漏电事故基本发生在低压电网中，而 单相漏电、触电事故大大多于两相间的漏电、触电事故，而且漏电事故的后果非 常严重。因此，防止漏电事故的技术措施应重点放在单相漏电事故的危险上。 本论文的研究对象是井下中性点不接地的低压电网系统，研究重点主要放在 发生单相漏电故障时，通过对中性点不接地低压电网的漏电原理及各种漏电保护 方法的分析对比，提出了基于附加直流电源检测和零序功率方向的漏电保护判 据，将选择性漏电保护理论应用于漏电保护装置之中。 本论文主要工作是在对选择性漏电保护理论分析的基础上设计出应用于矿 井复杂环境的智能漏电保护器。这种选择型漏电保护装置基于d s p 型微控制器 d s p i c 3 0 f 4 0 1 2 ，d s p i c 系列的微控制器的高速主频将为漏电保护的动作性能提供 保证。在现场通信总线的设计上将采用饵秒数据传输速度可达1 2 m s 的 p r o f i b u s 现场总线代替速度较慢的c a n 总线方式进行设计1 6 j 。这种总线的采 用极大地提高了漏电监控系统的响应速度。 4 江苏大学硕士学位论文 现在常用的煤矿安全生产监控系统中，下位机与上位机的通讯介质通常采用 双绞线，但在井下非常恶劣的自然环境下，整个系统的抗干扰性能就变的非常差。 本论文将采用光纤代替双绞线。这很好的避免了大量的电磁干扰，优化了整个漏 电保护系统的可靠性。另外整个系统的软件设计也是本论文的一个重要工作。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章常用漏电保护器及漏电理论分析 2 1 漏电保护器的发展历史及现状 虽然自从1 9 世纪术电力进入人类的生活和牛产领域以来，人类就开始同漏 电事故做斗争，但直到1 9 2 8 年，才由德国人根据电力系统的差动保护原理，提 出剩余电流动作型漏电分断方法。才从根本上为漏电保护电器奠定了理论基础。 1 9 3 0 年法国人根据上述原理研制成功世界上第一台剩余电流动作型漏电断路器 ( 动作电流1 0 m a ，动作时问为0 i s ) 。仅从动作电流和动作时i 、u j 上看，它是完 全能提供漏电保护的，但由于当时工业化水平、技术水平、原材料的发展都比较 落后，造成相对灵敏度较高的漏电断路器常常发生误动作，致使这种断路器一直 没进入实用阶段。工业化国家当时只能继续使用电压动作型漏电断路器。直到 2 0 世纪5 0 年代，法、德才重新开始研制电流动作型漏电断路器。一开始动作电 流在3 0 0 3 0 0 0 m a 之间，仍然只能做| 、只j 接漏电保护之用。1 9 5 8 年，世界上电流 动作型漏电保护器首次批量生产，其动作电流为3 5 m a 。到6 0 年代，随着电子 技术和低压短路器技术的进步小容量塑壳式断路器的技术同益成熟，开始出现了 动作速度快、灵敏度高、可靠性有保证的剩余电流动作型漏电断路器。由于该类 漏电保护电器技术同趋完善，所以工业化国家从2 0 世纪6 0 年代开始逐步普及漏 电保护电器【7 j o 我国的漏电保护电器发展同样也走了电压动作型到电流动作型的曲折道路。 早在1 9 6 6 年，苏州金闾电器厂生产了数量不多的电压动作型漏电继电器。没过 多久，由机械工业部上海电科所等单位共同研制的a b 6 1 1 2 型2 0 m a 、0 1 s 的电 子式漏电保护器开始投产。进入8 0 年代，随着改革开放工业的发展，社会对漏 电保护器的需求急剧增加，有关部门和生产厂家相继研制出d z 5 2 0 l 、d z l 5 l 、 d z l 6 l 、j d l 和j c b l 型漏电保护电器。从9 0 年代后期开始我国开始引进先进国 家的产品技术，到现在我国自主研发的漏电保护电器年产量达到数千万台，其产 品大致分为脉冲型漏电保护器、电流型漏电保护器、三相漏电保护器和单相漏电 保护器。 6 江苏大学硕士学位论文 随着社会的发展进步，一种可对电网系统漏电线路进行选择性切除的选择性 漏电保护电器产生。选择性的漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择 地发出故障信号或切断故障支路电源。智能的选择性漏电保护系统是漏电保护技 术的发展趋势，是防止人身触电的重要保护措施。它可以保证只切除漏电故障线 路和设备，非故障部分继续工作，减小故障停电范围，而且便于寻找漏电故障， 缩短漏电停电时问，提高供电的可靠性。 2 2 漏电保护器的主要类型 漏电保护器( 剩余电流动作保护器) 是指能同时完成检测剩余电流，将剩余 电流与基准值相比较，以及当剩余电流超过基准时断开被保护电路的装置。 1 其所具有的保护功能与结构分为： ( 1 ) 漏电继电器：由零序电流互感器和继电器组成，只具备检测和判断功能。 ( 2 ) 漏电开关：由零序电流互感器、漏电脱扣器和主开关组成，装在绝缘外壳 内，具有漏电保护和手动通断电路的功能。 ( 3 ) 漏电断路器：具有漏电保护和过载保护功能。 ( 4 ) 漏电保护插座：由漏电短路器或漏电开关与插座构成。 2 根据中间环节的结构特点分为： ( 1 ) 电磁式漏电保护器：中间环节为电磁结构，有电磁脱扣器和灵敏继电器两 种形式。其特点是没有电子放大电路，不需要辅助电源。 ( 2 ) 电子式漏电保护器：中间环节为电子器件组成的电子电路，由分离元件电 路，也有集成电路，对漏电信号放大。、处理、比较后触发晶闸管或导通晶体管丌 关电路，接通漏电脱扣器线幽而使漏电保护器动作。其特点是需要辅助电源。 3 根据安装形式分为： ( 1 ) 固定安装和固定接线的漏电保护器：以固定的接线方式安装在固定的地方。 ( 2 ) 带有电缆的可移动使用的漏电保护器：通过可移动的电缆接到电源上，可 以很方便地移动到工作场所。 4 根据级数和线数分为： ( 1 ) 单极二线漏电保护器 ( 2 ) 二极漏电保护器 7 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 二极三线漏电保护器 ( 4 ) 三极漏电保护器 ( 5 ) 三极四线漏电保护器 ( 6 ) 四级漏电保护器 这种分类形式用以满足被保护电路的各种接线方式的需求。其中单极二线、 二极三线和三极四线三种形式的漏电保护器均有一根直接穿过漏电电流检测互 感器而不能断丌的中性线。 5 漏电动作电流值分为： ( 1 ) 高灵敏度漏电保护器：其额定漏电动作电流为3 0 m a 及以下。即叮用做间 接接触保护，也町用做直接接触的补充保护。 ( 2 ) 中灵敏度漏电保护器：其额定漏电动作电流为3 0 m a 以上至1 0 0 0 m a 。只 能用做问接接触保护，或用做防止电器火灾事故和接地短路故障的保护。 ( 3 ) 低灵敏度漏电保护器：额定漏电动作电流为1 0 0 0 m a 以上。只能用做间接 接触保护，或用做防止电器火灾事故和接地短路故障的保护。 6 动作时问分为： ( 1 ) 瞬时型( 又称快速型) 漏电保护器：一般动作时间不超过0 2 s 。 ( 2 ) 延时型漏电保护器：在漏电保护控制电路中增加了延时电路，使其动作时 间达到一定的延迟，一般规定一个延时极差为0 2 s 。 ( 3 ) 反时限漏电保护器：漏电保护器的动作时间随着动作电流的增人而在一定 范围内缩短。般电子式漏电保护器都具有一定的反时限特性。 7 根据脉冲电压作用下防止误动作的性能分类 ( 1 ) 在脉冲电压作用下可能动作的漏电保护器 ( 2 ) 在脉冲电压作用下不动作的漏电保护器( 简称脉冲电压不动作型漏电保护 器) 8 根据故障信号的形式分类 根据故障信号的形式是漏电故障电流还是漏电故障电流在接地装置或检测 元件上产生的电压降，可以将漏电保护器分为两种：电压动作型和电流动作型。 电压动作型保护器检测的信号是对地电压的大小。当故障电压达到预定的危险极 限值时，电压线圈推动脱扣机构使主开关切除故障电源。它可以装设在低压电网 电源变压器低压侧，用来保护整个电网；也可以装设在单台电气设备处，用来保 8 江苏大学硕士学位论文 护该用电设备。电压型动作保护器，尤其是简易电压型动作保护器，具有结构简 单、制造容易、造价低廉的优点。但是，由于原理上的缺陷，使得它存在以下缺 点： 检测元件的阻抗比较高，这样在装设在低压电网总出线处时，将会改变电 网原有的运行状态； 对于三相四线制电网，若中性线对地绝缘下降到一定值时，故障电流将部 分通过中性线回流，使保护器动作灵敏度下降很历害，甚至拒动； 安装工程较为复杂，且不能装设在分支线路上； 热稳定性能较差，极易因电网过电压或遭受雷击而烧坏。 因此，使电压动作型保护器的应用受到限制。目前在电网上已基本不使用， 只是在某些用电设备上还有一定的应用价值。 电流动作型保护器是以枪测漏电、触电电流信号为基本工作原理的。这种保 护器的检测元件是漏电电流互感器，通过电流互感器榆测故障电流，在二次凹路 产生一个感应电压，当感应电压达到一定值时，推动脱扣机构，使主开关切断电 路。它可以方便地安装在电网的任何地方而又不改变电网的运行特性，可作为直 接接触的补充保护，也可进行分级保护。加上其性能优越，动作可靠，不易损坏， 几十年电压动作型逐渐被其取代，目前世界各国丌发的漏电保护器基本上都是电 流型漏电保护器。电流动作型保护器又叫漏电电流动作保护器，国外也称为剩余 电流动作保护装置、差分电流动作保护器、接地故障保护器或漏电开关等。这里 的“漏电电流”是指被保护主电路电流的向量和( 以有效值表示) ，亦即被保护 主电路的电流瞬时值的代数和。它同国际上的“剩余电流”、“差分电流 具有同 样的定义【8 1 。 2 3 漏电保护国家标准及其性能参数 2 3 1 漏电保护器的国家标准 从1 9 7 6 1 9 8 5 的1 0 年间，剩余电流动作保护器在我幽经济发达的农村和东南 沿海地区的城市，为适应安全用电形势的需要，得到了推厂，形成大批量的生产、 安装和使用的局面。但前一时期由于没有成熟的技术条件和相应的生产条件，更 没有完整的技术标准作依据，因此在剩余电流动作保护器的产品质量上存在很多 9 江苏大学硕士学位论文 问题，而当时我国正处于改革开放的初期，很多企业看好这个新兴产品的发展前 途，纷纷蜂捌而上，曾一度使国家很难控制产品质量，又加上使用者缺乏安装运 行方面的知识，造成个别地区和单位在错误接线或安装质最不合格的产品后，未 能收到预期的效果。为尽快改变这种状况，国家技术监督局( 原国家标准局) 和原 水利电力部从1 9 8 6 年开始，着手制订了一系列有关剩余电流动作保护器生产、 安装、运行和管理方面的技术标准和规程，特别是强制性地执行的国家标准，对 统一生产技术要求，规范生产秩序和市场管理，1 f 确选择、安装、使刚剩余电流 动作保护器起了指导性作用，井对减少人身触电枣故，防止设备损坏事故，提高 安全用电水平作出了贡献。 从1 9 8 2 年至今，国家有关剩余电流动作保护器生产、安装、运行的国家标准 和部颁标准有以下几个： 1 剩余电流动作保护器的一般要求g b 6 8 2 - - 9 5 ( 1 9 9 5 年改版前为漏电 电流动作保护电器g b 6 8 2 卜8 6 ) 2 漏电保护器农村安装运行规程s d 2 1 卜8 7 3 漏电保护器安装和运行g bl3 9 5 5 9 2 4 家用和类似用途不带过电流保护的剩余电流动作保护器g b l 6 9 1 6 一1 9 9 8 5 家用和类似用途带过电流保护的剩余电流动作保护器g b l 6 9 1 7 1 9 9 8 6 移动式剩余电流保护器j b 8 7 5 5 一1 9 9 8 7 剩余电流保护继电器j b 8 7 5 6 1 9 9 8 8 农村低压电力技术规程d l 4 9 9 9 2 第四章漏电保护 9 农村安全用电规程d l 4 9 3 - - 9 2 第4 6 漏电保护器运行管理【9 】 以上关于剩余电流动作保护器的四个国家标准和五个部颁标准足相继于 8 0 - - - 9 0 年代编制、发布和实施的。这些标准包括了生产、安装和运行的有关规定， 对我国剩余电流动作保护器的发展起了很重要的作用，并填补了我国在这方面技 术的空白长期以来为我国提高安全用电水平起到了良好的作用。 1 9 8 4 年原国家标准局委托上海电器科学研究所等单位编写了漏电电流动作 保护器c b 6 8 2 9 - - 8 6 ，后经1 9 9 5 年修改，该标准由单纯对漏电保护功能的一般规 定又增加了断路器方面的技术标准，并将名称在1 9 8 6 年有争议的基础上改为剩 余电流动作保护器的一般要求，该标准规定的一般要求包括：特性、正常工作 条件、结构和性能要求、特性和性能要求的验证及标志要求。 l o 江苏大学硕士学位论文 该标准颁布后，使生产厂家产品的技术条件有了依据，又由于该标准为强制 性执行标准，使国家有关部门对产品进行强制认证时有了科学的认证条件。这个 标准的实施，对8 0 年代后期剩余电流动作保护器提高产品质鼍起了保汪作用， 并对我困剩余电流动作保护器生产行业的健康发展起了积极的推动作用。 下面根据剩余电流动作保护器的一般规定g b 6 8 2 9 - - 8 6 进行分析给出其规 定的性能参数。 2 3 2 漏电保护器的性能参数 ( 1 ) 额定漏电动作电流 额定漏电动作电流是指在规定条件下，漏电保护器必须动作的漏电动作电流 值。额定漏电动作电流由制造厂家制定，它反映了漏电保护动作的灵敏度。国家 标准规定的额定漏电动作电流系列为：0 0 0 6 a ，0 0 1 a ，( 0 0 1 5 a ) ，0 0 3 a ，( 0 0 5 a ) ， ( o 0 7 5 a ) ，o 1 a ，( o 2 a ) ，o 3 a ，o 5 a ，1 a ，3 a ，5 a ，1 0 a ，2 0 a 共十五个等 级供制造厂家选取( 带括号的值不推荐优先采用) 其中3 0 m a 及以下者属于高灵 敏度型，即可用作间接接触触电保护，也可用作直接接触触电的补充保护，或用 作防止电气火灾事故和接地短路故障的保护。 ( 2 ) 额定漏电不动作电流厶刀d 额定漏电不动作电流是指在规定条件下，漏电保护器不动作的漏电不动作电 流值。这是为了防止漏电保护器误动作，使之能在电网上投入运行的所必需的技 术参数。因为任何电网都存在正常工作所允许的三相不平衡漏电流，如漏电保护 器没有漏电不动作电流的限制，将无法投入运行。很明显，额定漏电不动作电流 越趋于漏电动作电流，漏电保护器的性能越好，但制造也越闲难。国家标准规定， 额定漏电不动作电流不得低于额定漏电动作电流的1 2 。 ( 3 ) 漏电动作分断时问 漏电保护器的动作时间是从突然施加漏电动作电流起到被保护主电路完全 被切断为止的全部时间。为达到人身触电时的安全保护作用和适应分级保护的要 求，漏电保护器按动作时间的特性可分为快速型、延时型。 快速型漏电保护器没有人为延时，适用于单级保护，用于直接接触保护的漏 电保护器必须用快速型的。国家标准规定了用于直接接触保护的漏电保护器的最 江苏大学硕士学位论文 大分断时间，见表2 1 。国家标准还规定了用于间接接触保护的漏电保护器的最 大分断时问，见表2 2 。 表2 1 直接接触补充保护用漏电保护器的最大分断时间 最大分段时问( s ) k ( 彳)厶( 彳) l a n 2 ih o 2 5 a o 0 3 任何值 o 2o 10 0 4 注：表中厶、么分别代表额定电流和额定漏电动作电流。 表2 2i r j 接接触保护用漏电保护器的最大分断时间 最人分段时问( s ) ( 么)厶( 彳) i 蛳2 i 锄s i 蛳 仟何值 o 2 0 1 0 0 4 o 0 3 4 0 0 2o 1 5 注：表中，玎、分别代表额定电流和额定漏电动作电流。 加入人为延时器件的为延时犁漏电保护器。一般情况下，延时型漏电保护器 用于间接保护及总保护中，如果漏电达到延时型漏电保护器动作值但持续时间较 短( 在一般型漏电保护器的动作时f i i j 内) 时，一般型漏电保护器动作，而延时型 漏电保护器不应动作。延时型漏电保护器的不驱动时间是相当重要的一个指标， 有了不驱动时间的规定，就可以防止漏电保护器的越级动作。因此，延时型漏电 保护器的不驱动时间是一个非常重要的参数，在国家标准中有明确规定。 延时型漏电保护器延时时间的优选值为0 2 s ，0 4 s ，0 8 s ，1 s ，1 5 s ，2 s 。 ( 4 ) 额定频率 漏电保护器的额定频率。对于低压漏电保护器的额定频率规定为5 0 ( 或6 0 ) h z 。如果与主电路电源的适用频率不同，将会直接影响漏电保护器的动作灵敏 度及其他电气性能。 ( 5 ) 额定电压 漏电保护器的额定电压足指漏电保护器所装设电网的线问电压对应值，对于 低压漏电保护器来说，额定电压的优选值为2 2 0v 、3 8 0 v 。 ( 6 ) 辅助电源额定电压 辅助电源额定电压的优选值为： a ，直流：1 2 v ，2 4 v ，4 8 v ，6 0 v ，1 1 0 v ，2 2 0 v ： 1 2 江苏大学硕士学位论文 b ，交流：1 2 v ，2 4 v ，4 8 v ，2 2 0 v ，3 8 0 v 。 注：辅助电源由漏电保护器控制的电源供电时，辅助电源额定电压即为漏电 保护器的额定电压。 ( 7 ) 额定电流 漏电保护器的额定电流足其所保护电路允许长期通过的最大电流值。国家标 准推荐采用以下十六个等级：6 a ，1 0 a ，1 6 a ，2 0 a ，2 5 a ，3 2 a ，4 0 a ，5 0 a ， ( 6 0 a ) ，6 3 a ，( 8 0 a ) ，1 0 0 a ，( 1 2 5 a ) ，1 6 0 a ，2 0 0 a ，2 5 0 a ( 带括号的值不推 荐优先采用) f 1 0 1 。 2 4 矿井电网的漏电原理分析 由于三相电源的中性点不接地，所以不论电网发生什么类型的漏电故障电网 的线电压将不会变化，仍是三相对称的。单相漏电和两相漏电均属于不对称故障， 故障发生后电网各相对地电源就不再对称，并且变压器中性点也要发生位移，产 生对地电压( 零序电压) ，如果系统中有零序i u i 路，则在回路中就有零序电流流 通。 在工程实际中，矿井低压电网发生两相漏电的几率远不如单相漏电高，其故 障程度( 仅就漏电而言) 也比单相漏电轻。单相漏电故障约占漏电故障总数的 8 5 左右，而且有相当一部分( 约3 0 以上) 单相漏电若不及时切除，将发展成 更严重的短路故障，所以单相漏电足井下低压电网漏电故障的主流1 1 1 1 。在下面 更进一步的故障参数变化规律的分析计算中，将以单相漏电为研究对象。 江苏大学硕士学位论文 n t 3 考i ! u q 舀熘上寄上。； i ，、_ l 二 _ i i二 i ；弋x 一叱 l 一。、一 图2 1 放射式供电系统 2 4 1 单相漏电故障时的零序电压 3 ( 1 0 2 + j 0 3 ) 电容为q ；对地绝缘电阻为r i ，萨常工作时，系统处于三相平衡状态，此时系 统每相对地阻抗参数为： ，一：i i 吒1 1 名：( 毒 一1 c 2 ， c = q ( 2 2 x 。：一1 ( 2 一3 一) t2 一 ( 。， z o = - j x _ c r ( 2 - 4 ) 当线路1 的a 相发生漏电故障时，将导致系统中性点位移，产生零序电压玩， 1 4 江苏大学硕士学位论文 设漏电电阻为r ，则零序电压o o 为： 0 一志d 月 将z o 代入( 2 - 5 ) 式得： ( 2 5 ) ，一蔫掣篇竺等oatt0 (2-6)3r ( r ) 2 + ( 3 雠+ ) 2 7 玩超前秒, 41 8 0 - 0 角度，其中秒= a r c t g 话鬲3 丽r r 对于一个固定的电力系统来说，常常具自崮定的，值和c 值，而漏电故障的 形成往往有一个过程，也就是说在漏电故障发：l ! 时，r 值是变化的。因此，分析 r 值变化对漏电参数的影响足十分必要的。 当r = 0 时，0 = 0 。，o o = 0 爿。 当r 由零逐渐增大时，秒角逐渐增大，o o o ，表示巾 0 ，j t l o l o 值大于动作的整定值，漏电保护即动作。 i o i q 0 ，而对非故障支路则有总有p r 0 ，且故障 支路的p r 值较非故障支路大的多，从而可以利用这个判据进行准确、可靠地判 断出故障支路。通过零序功率方向的原理可以准确判断出漏电线路，但显然无法 测量出漏电电流值的大小f 2 l 】。 2 5 5 本系统所采用的选择性漏电保护方法 在本文中将采用附加直流电源和零序功率方向选线判据相结合的方法，利用 附加直流电源的方法测量漏电电流值的大小，并通过零序功率方向的判据选线原 理判断漏电线路。如图2 1 l 所示，先有总馈电开关处检测是否发牛漏电，再由 分支开关处检测零序功率的方向，判断发生漏电故障的线路。这两种方法的综合 可以有效的避免传统的零序电流幅值比较法，群体比幅比相法等方法无法对漏电 故障线路做出有效选择的弊端，又可以对漏电故障进行有效选线，最大程度的缩 小因漏电保护造成的断电范围。在真正意义上实现对漏电故障进行有选择性、有 范围的切除。 分支并关1 2 6 单相漏电故障仿真分析 控制线o l ，o h 图2 。1 1 本文采用电力系统仿真软件e m t d c 对单相漏电故障进行仿真。e m t d c 是 一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，p s c a d 是其用户界面。p s c a d 的 丌发成功，使得用户能更方便地使用e m t d c 进行电力系统分析，使电力系统复 2 5 江苏大学硕士学位论文 杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端：可模拟任 意大小的交直流系统。 本文的单相漏电仿真模型如图所示2 一1 2 所示。1 1 4 0 v 的电网以两相变压器 为负载，有三个分支，其中撑1 分支的c 相为漏电故障分支。模型中的、 分别是指此电网中的零序电压、故障支路零序电流及非故障支路零序电流。 厶、厶和t 分别是指漏电支路的三相电流，其中l 为故障相的电流。乓、易和 疋分别是指漏电故障支路的三相电压。厶2 、厶2 、l 2 分别为非故障支路的三相 电流。另外，模型电路故障起始时间设置为电路导通时间的o 3 s ，故障持续时问 为0 4 s 。 恻，。工。二= 袅蚕。要，雾，a l f t 产厂喹? 一一“1 口：m a 莯 一 三廖杠 娄 一! 蒂 1 2 单相漏电故障仿真电路图 模型得出的漏电故障支路的三相电流波形如图2 1 3 。根据模型故障时间 定，可以看出在0 3 s 到o 7 s 之间，漏电故障支路的的c 相，即故障相的电 速增大。而与非敝障支路的三相电流相比较( 图2 1 4 ) ，可以看出在群1 支路 故障的时间内，非故障支路的相电流变化幅值较小。l 2 和j 6 2 两相幅值变大， ，相电流幅值变小。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 3 故障支路的三相电流 每l r = t _ 。o ；r 。二；1 _ _ _ j 1 = 。r 一0 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 0 镶z c m 1 。 ? 一。，? ? 。? ? ：二“ ，?。 ， 图2 1 4 非故障支路的三相相电流 0 8 0 而各支路的零序电流足三相电流的矢量和，所以从图2 1 3 和图2 1 4 中即可 以推出故障支路的零序电流在幅值上要比非故障支路的零序电流大的多。 图2 1 5 和图2 1 6 即为故障支路拌l 的零序电流和非故障支路的零序电流 a 的波形图。从图中也可以看出二者幅值的差距。 0 00 1 00 2 00 3 0 ，0 4 00 5 00 6 00 7 0 ，0 8 0 0 ，9 0 1 0 0 。 图2 1 5 故障支路 1 的零序电流 柏 0 o 0 ；，plt。 加 帕 o o 毋 m 出 ， # 0 0 o t：；、f* 0 0 0 0 2 0 2 4 0 0 0 0 ” $ 0 0 0 6 8 0 0 - 一 江苏大学硕士学位论文 轨0 2 0 ，4 0 o 6 0 产= = = 。卜2 = ；。予2 = = 。千。= ：= = = 。十2 = = 2 彳2 = ；。叶2 = = 。叶。2 。2 。2 。_ 。2 。r 一 。0 0 00 10 0 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 01 0 0 彬 “ 图2 1 6 非故障支路零序电流 另外本模型还对零序电压进行的仿真，零序电压的测量如图2 1 7 ，是通过三 个电阻和电容组成人为中性点获取零序电压。 罢卜