煤矿井下三级漏电技术.doc

窗体底端 发新话题 发布悬赏煤矿井下三级漏电技术一、概述矿井610kV高压电网过去一直是沿用中性点不接地方式。随着井下供电线路的加长，电容电流增大，近年来消弧线圈在矿井电网中得到了推广应用，并主要采用中性点经消弧线圈并（串）电阻的接地方式。小电流接地系统的优点是单相接地电流较小，单相接地不形成短路回路，电力系统安全运行规程规定可继续运行12小时。但是，长时间的接地运行，极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压。特别是矿井电网，因其大部分为电缆供电，环境恶劣，故障多，高压电缆经常发生单相漏电或单相接地故障，这种故障如不及时发现和处理，就会造成多相短路而迫使供电中断，影响正常生产，并给矿井和人身安全带来严重威胁。在矿井电网中，一般用漏电来泛指电网中的各种接地故障，这与供配电网中通常所说的单相接地故障实际上是同一概念。所谓漏电，是指三相电网中的任一相导线经电阻与地或与地线相接；而单相接地是指一相导线直接与地或地线相接，又称金属性接地。据统计，矿井电网中金属性接地故障只占5，而漏电故障却高达95，也就是说，绝大部分故障都是漏电故障。另外，在矿井电网中，单相漏电和接地故障占整个电气短路故障的80以上。选择性接地（漏电）保护是指：当电网的某一线路发生接地或漏电故障时，接地（漏电）保护装置仅使开关切除或发出信号指示接地（漏电）故障所在线路，保证非接地（漏电）线路的正常供电。选择性接地（漏电）保护的优点是明显的：由于它能迅速找到接地故障线路和电气设备，从而能保证非故障线路和设备继续运行，便于迅速处理并缩小停电范围，对保证电网安全、可靠运行和提高劳动生产率极为有利。国内从20世纪50年代就开始了对接地（漏电）保护原理和装置的研究，但在20世纪70年代前，我国基本上采用“拉闸试停”的原始方法。70年代后，先后推出了几代产品，如许昌继电器厂的ZD系列产品；北京自动化设备厂的XJD系列；沈阳继电器厂的BLD系列；山东科技大学（原山东矿业学院）研制的GJWJ1型高压漏电微机监护装置；山东工业大学研制的BF型接地选线装置及TY型接地选线与定位保护装置；华北电力大学研制的ML系列微机选线装置；中国矿业大学研制的VP1型和WLX系列微机选线检漏装置等。目前国内的选线装置主要基于下列几种原理：故障线路零序电流最大原理；零序功率方向原理；首半波原理；谐波电流方向原理；零序电流补偿原理；“S注人法”原理。在选线方案上，除常规的绝对定值保护方案外，还有群体比幅比相方案、群体比幅方案。目前，许多接地保护装置在实际运行中总不是十分令人满意，特别是随着消弧线圈在配电网络中的推广应用，由于接地故障点的电弧容易熄灭，单相接地故障多表现为间歇性电弧接地，对此故障的准确检测一直是生产现场亟待解决的难题。因此，还有待于进一步从保护原理和实现方法上对接地保护问题作深人的研究。二、选择性接地保护原理 （一）零序电流原理该原理是基于故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点，区分出故障和非故障元件，从而构成有选择性的保护。（4-1）式中： ¾本电网相电压¾本线路每相对地电容¾可靠系数¾交流电的角频率， （4-2）式中： ¾电网一相对地总电容¾电网零序电压，对中性点不接地系统， R¾接地故障点的过渡电阻。这种原理在电网电容电流较小，且又存在长线路的情况下较难满足选择性。同时，当接地故障点存在过渡电阻时，依式（4-1）整定的动作值，极易发生拒动现象。目前该原理已较少使用。（二）零序功率方向原理该原理利用故障线路零序电流滞后零序电压900、非故障线路零序电流超前零序电压900的特点来实现。由于这一原理对零序电流的大小要求降低，使之在实际电网中得到广泛应用。但其对零序电流互感器的角特性要求较高，此外，对中性点经消弧线圈接地系统此原理无效，限制了其使用。值得注意的是，在中性点经消弧线圈接地系统中，经常有人认为当消弧线圈工作于欠补偿方式时此原理仍然可行，这并不全面。图4-1中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障零序等效网络观察图4-1所示中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障零序等效网络，图中C01、C02、C03分别为线路L1、L2、L3的每相对地电容，用集中参数表示，忽略电网对地绝缘电阻。接地故障时电网的零序电压为 。，规定电流从母线指向线路为正方向（以下同）。则流过非故障线路Ll上。首端的零序电流分别为 （4-3） （4-4）而流过故障线路入首端的零序电流则为 （4-5）消弧线圈欠补偿运行时的条件是 ，而为满足零序功率方向原理的动作条件， 应为容性电流，即式（4-5）中要求有 。当C03较小且L3为短线路时动作条件较易满足；但在C03较大且L3为长线路的情况下，动作条件就不易满足。因此，消弧线圈欠补偿运行时零序功率方向原理并不完全适用。（三）首半波原理首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设而提出的。当相电压接近最大值时，若发生接地故障，则故障相电容通过故障线路向故障点放电，故障线路电感和分布电容使电流具有衰减振荡性。对于中性点经消弧线圈接地系统，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值的瞬间，而接地故障发生在相电压接近最大值瞬间时，消弧线圈中的暂态电感电流接近于零，其过渡过程与中性点不接地系统的近似相同，故可利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护。但该原理不能反映相电压较低时的接地故障，且受接地过渡电阻影响较大，同时也存在工作死区。（四） 谐波电流方向原理由于电源变压器铁心非线性的影响，以及电力电子传动装置在供电网中的应用，当输人正弦电压后，输出电压将发生畸变，傅氏分解后将得到基波和一系列谐波的串联电源；负荷的非线性，等效为对各种谐波呈现不同阻抗。有学者对某电网进行过测试，发现零序电压中除基波最大外，其他谐波按大小排列为：U05=15，U07=083；而零序电流除基波外，I05=28，I07=15。对于中性点经消弧线圈接地系统，因消弧线圈L的作用是对基波而言的，即 ，而对5次谐波， ，即5次或7次谐波电流的分布规律与中性点不接地电网分布规律一样，仍可利用5次或7次谐波电流大小或方向构成选择性接地保护。但由于5次或7次谐波的含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一（如我们对某矿6 kV电网零序电流谐波成分的实测，其5次与7次谐波成分相近，为112178，故以此原理构成的保护其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低，在接地点存在一定过渡电阻值时将出现拒动现象。 （五）选择性接地保护系统我国矿井高压供电系统一般分为三级，即矿井地面变电所，井下中央变电所和采区变电所，电压等级为 610kV。为了实现接地（漏电）保护选择性的要求，这些变电所都应装设接地保护装置，从而构成了三级选择性接地保护系统。接地保护的横向选择性通过各级接地保护装置的工作原理实现，而纵向选择性则靠时间差来达到。各级保护装置动作时间的配合如图42所示，即按时限阶梯原则配合，其时限阶段 =0405S。此系统中，仅采区变电所处要作用于跳闸，但若要求中央变电所也作用于跳闸，必然使接地时间加长，不利于安全。图4-2 各级接地保护装置的动作时限配合(八)接地选线保护装置动作参数分析接地保护装置的动作参数主要包括电网零序电压、零序电流、动作电阻。日本学者对610 kV电网各种单相接地状态下的故障点电阻做过一些实测和统计，他们认为单相接地保护能检测出1kW以内的故障即可，对于高阻值接地故障一般可以不予考虑；而对中性点经消弧线圈接地系统，则定义接地故障点电阻在4kW以下为接地故障，对应的零序电压动作值设定为1025 V。这也易于理解，因为当采用消弧线圈接地方式后，和不接地系统相比，在同样的接地点电阻值下，零序电压都将有较大幅度的提高，从而能反映较高阻值的接地情况。由于中压电网的接地保护不保护人身安全，因此，可不将接地点电阻作为动作值要求，而将零序电压作为装置启动整定值。我们在设计接地保护装置时，通过对有关项目论证并结合煤矿电网的特点，对中性点不接地系统，零序电压动作值取为 10 V左右；采用中性点经消弧线圈接地方式后，其动作值应有所提高，取为 20 V左右。对于零序电流动作值，可采用群体比幅比相方案，使动作值具有随动的“水涨船高”优点，避免“绝对定值”方案带来的整定麻烦。电网的自然不平衡电压虽较低，但当出现电压互感器高压熔断器熔断这样的情况时，虽然由于正常电压下互感器的电感很大，其感抗比对地电容的容抗大得多，并不会使电网中性点有明显的位移变化，但在开口三角处将出现约 1003 V的电压，此时若再碰上电网的少量不平衡电流（据实测有时可达0305 A），保护装置势必会误动。因此除群体比幅比相方案外，还应给零序电流设定动作值“门槛”，此“门槛”值一般取为051A。三、零序电流有动分量方向原理与基于故障相电流的保护原理为克服原有各种选择性接地（漏电）保护原理存在的各种不足，提出三种新的保护原理：零序电流有功分量方向原理，自适应式零序电流有功分量方向原理，基于故障相电流的保护原理。1零序电流有功分量方向原理为说明该原理，先以带三条馈出线的中性点经电阻接地系统为例。此系统发生接地故障时，零序等效网络如图46所示。图中RN为中性点电阻，故障发生在电网A相。图46 中性点经电阻接地系统零序等效网络由图知，故障线路L。始端所反应的零序电流为(4-22)对非故障线路L1、L2为(4-23)(4-24)式中 整个电网一相对地电容之和 可见，故障线路始端零序电流互感器所反应的零序电流分两部分：中性点电阻器产生的有功电流 ，其相位与零序电压差180”；非故障线路零序电流之和 ，相位滞后于零序电压900。而流过非故障线路的零序电流只是由本支路对地电容产生的容性电流，相位超前零序电压900。由此可见，由于有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，因此，只要以零序电压作为参考向量，将此有功电流取出，送人后级处理电路，就可十分方便地实现选择性接地保护。这就是零序”电流有功分量方向保护的基本原理。对中性点经消弧线圈接地系统，目前主要采用消弧线圈并（串）电阻运行的派生接地方式，且消弧线圈本身的有功成分较大（实测单相接地时其有功电流达23 A）。由图 47可知，当此系统发生接地故障时，故障线路始端所反映的零序电流除增加一部分电感性电流入外（其相位超前零序电压900，其余两部分与中性点经电阻接地系统相同。其表达式为 （4-25）图47 消弧线图并电阻接地系统零序等效网络而流过非故障线路的零序电流仍与前同，因此，上述原理仍然是可行的。对于中性点不接地系统，当发生接地故障时其零序等效网络如图48所示。流过故障和非故障线路的零序电流皆为容性，且方向相反，即对故障线路 （4-26）图48 中性点不接地系统零序等效网络而非故障线路情况与式（423）、（424）相同。将式（423）、（424）、（426）右侧分别乘以 （相当于各滞后移相90”角），则 （4-27）可见 、 与 别与零序电压U。反相位、同相位，相当于将它们变成了有功电流。其矢量图如图49所示。图4-9 中性点不接地系统相量图可见，实现此保护原理的关键是取出只流过故障线路且与零序电压反相位的有功分量。为此，可采用相敏整流的方法实现此有功分量的取出。零序电流有功分量方向原理实质上是零序功率方向原理的延伸，但经过上述处理后，尤其对中性点不接地系统，相当于将原有的零序电压、零序电流比相范围从原有的900角扩大到1800，从而创造了更好的选线条件。另外，采用这种原理后，可以适用于不同中性点接地方式的接地选线保护。以上分析都是在忽略电网绝缘电阻的情况下进行的。考虑其影响时，则在各种中性点接地方式下，故障线路始端零序电流互感器所反应的零序电流中还应再增加一部分有功分量，其值为非故障线路对地绝缘电阻产生的阻性电流之和，相位与零序电压差180“；非故障线路始端所反应的零序电流中也增加一部分有功分量，大小为本支路对地绝缘电阻产生的阻性电流，与零序电压同相位。对中性点经电阻、消弧线圈并（串）电阻接地系统，其中性点电阻器一般为固定投人，因此，当接地选线保护装置零序电压动作值确定后，其动作电流值也随之确定，且不受电网对地电容参数大小的影响。另外，以上分析零序电压、零序电流的相位关系时，都是从电网一次信号的角度出发的，而在实施接地选线保护装置时，零序电流信号一般都从零序电流互感器二次侧取得，其二次信号与一次信号间必然存在一个相位角。因此，在实施具体装置时；还应对各个零序电流信号进行移相校正，使之得到最佳的相敏特性。由于这种新的保护原理是通过取出故障线路有功电流实现的，故对中性点经消弧线圈接地系统熄弧时产生的衰减振荡电流，不会使装置动作。 2自适应零序电流有功分量方向原理在实际应用中，各个零序电流互感器二次输出超前一次测信号一个角度（称为初相角），且往往不尽一致。利用硬件电路实现相敏整流取出故障线路有功电流时，还要考虑设置移相环节，但元件分散性对此影响较大，使调试工作量增加。而且零序电流互感器角特性的分散性对相敏特性影响较大，特别是在中性点经消弧线圈接地系统中对零序电流互感器的角特性较为敏感（因一般有功分量不会很大）。为了消除零序电流互感器角特性存在分散性和利用硬件电路实现相敏整流调试麻烦的不足，可采用软件算法先行记忆下各线路零序电流互感器的初相角，而后通过相敏整流的软件算法，逐个对算法进行修正，从而得到理想的相敏特性。这就是自适应式零序电流有功分量方向原理的基本思路。相敏算法及修正管体的前店和精度是其中的关键。(1)计算零序电流互感器初相角的软件算法为了获得各个零序电流互感器的初相角，必须给各个零序电流互感器一次输人一电流信号，然后再与基准量进行比较。为此，在设计接地选线装置时，由装置输出一个同相位的自检电流和电压，自检电流送人每个零序电流互感器，并检测其二次输出，自检电压作为参考向量，由软件算法求得各个零序电流互感器的初相角。采用自检电流、电压的方法，除可获取零序电流互感器的初相角外，还可校验零序电流互感器的灵敏度及安装方向是否正确，以克服实际使用中由于零序电流互感器安装不当而引起装置误判现象。微机保护的算法种类较多，如两点乘积算法、导数算法、半周积分算法、傅氏算法（包括全周傅氏算法与半周傅氏算法）、最小二乘算法及解微分方程算法等。其中傅氏算法是目前在微机保护中应用最多的一种算法。由于运算简单且有很强的抑制直流分量和谐波分量的能力，所以在国内外得到了广泛的应用。傅氏算法的基本思路来自傅里叶级数，本身具有滤波作用。设待分析的周期性时间函数为u（t），则通过全周傅氏算法，可求得其n次倍频分量实部的模值 ，虚部的模值 ，其离散形式为(4-28)而对半周傅氏算法，其n次倍频分量实部的模值、虚部的模值则为(4-29)式中N每工频周期采样点数；全周傅氏算法的主要不足是所需数据窗较长，为了保证精度，需一个周波的采样值，对于快速保护不能满足要求。而半周傅氏算法对消除