选择性漏电保护原理及其实现方法BD.doc

选择性漏电保护原理及其实现方法摘要：本文以煤矿井下小电流接地系统的漏电故障和漏电保护为研究对象，通过对小电流接地线路的漏电故障等效模型进行电路分析，总结漏电发生后电网各参数的变化规律以及典型特征，提出设计漏电检测装置和漏电保护装置的理论依据，最后给出选择性漏电保护装置的具体实现方法。关键词：零序电流；零序电压；选择性漏电保护Selective protection in theory and implementationAbstract： In this paper, leakage failures and protection of small current grounding system in coal mine is for the study, through analyzing equivalent model of leakage of small current grounding fault line.It is summarized power variation and the typical of each parameter after leakage, proposed the theoretical basis of designing leakage detection and protection device.Finally ,selective leakage protection device is given a specific realization.Keywords：zero-sequence current；zero-sequence voltage；leakage detection；selective leakage protection0 引 言“漏电”即电流未从人们预先设定的导电体流过,而是从禁止电流的绝缘体泄出。因而可知漏电发生的原因主要是绝缘受损或绝缘破坏。针对煤矿井下环境而言，由于矿井中空气潮湿，电缆易受脱落岩石以及煤块的压榨，使得电缆绝缘较容易受损，因而易发生漏电事故。一旦发生漏电事故不当会导致电气设备的损坏，形成短路事故，而且会导致人身触电，以及引起瓦斯粉尘爆炸的危险。所以规定矿井供配电设备必须具备较高的绝缘水平以及防护等级，并且要求矿井供电系统中必须装设漏电监检装置。所以对漏电的分析和研究对设计高性能的漏电监测、保护装置具有非常重要的意义。所谓漏电保护的选择性，就是指漏电保护装置动作时，仅将发生漏电故障线路的电源切断，其余非故障线路仍然继续运行。漏电保护的选择性具有两层涵义：一是指上、下级漏电保护之间的纵向选择性，二是指各配出支路之间的横向选择性。纵向选择性一般靠延时动作来实现，也就是时限级差方法；而纵向选择性则可以利用零序功率方向原理，即通过判断零序电流和零序电压的方向来实现选择性漏电保护。本文着重论述零序功率方向性漏电保护的原理以及实现方法。1 小电流接地系统的漏电故障分析发电机或者变压器中性点不直接接地的系统称为小电流接地系统。煤矿安全规程 2010第四百四十三条规定“严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电”。目前矿井中变压器的中性点的接地方式主要有中性点不接地、中性点经电感接地以及中性点经电阻接地三种方式。对于1140V以下的供电线路主要采用人为中性点经电阻或者电感接地方式。对于3KV以上的供电线路采用中性点不接地的方式。图1 中性点不接地系统的漏电等效模型Figure 1 Neutral Grounding System leakage equivalent model如图1所示为小电流接地供电系统的漏电故障等效电路模型。图1中、为变压器三相电压矢量，、为三相对地分布绝缘阻抗的集中等效阻抗。在中性点经高阻接地或者经零序电感接地时，接地零序电感以及接地电阻可等效为支路各相的对地绝缘阻抗，在文中都统一为中性点不接地的情形经行分析。为漏电阻抗。理想状态下，三相对地绝缘对称，即： (式1)1.1 未发生漏电情况当线路未发生漏电时，即漏电阻抗未接入电网时有： (式2)以大地为电压参考零点，并且令变压器中性点0电压为，则有： (式3)结合式3、式2可得出，当三相对地绝缘平衡且无漏电发生时，变压器中性点对地电压以及电网零序电流和零序电压： (式4)根据式4可得出：当三相对地绝缘平衡且无漏电发生时，变压器中性点对地电压即零序电压以及电网零序电流均为零。1.2 单支路漏电故障当电网发生漏电时，如图1所示，即有漏电阻抗接入电网的A相，则电网的平衡被破坏，根据弥尔曼定理可直接写出变压器0与大地0两点的电压即的表达式： (式5)再由对称分量法可得零序电压： (式6)由式6可得零序电压即变压器中性点对地电压，为表述方便后文中即使用变压器中性点对地电压表示零序电压。由式6可得出：当电网发生单相漏电时，电网三相对地电压出现零序分量，即零序电压，零序电压等于变压器中性点对地电压。根据基尔霍夫电流节点电流定律可得出通过漏电阻抗的电流： (式7)此时三相绝缘阻抗中的零序分量为 (式8)根据式8，可得出：一旦线路发生单项漏电时，由于对地绝缘阻抗的存在，便有电流经漏电阻抗和对地阻抗之间流过。流过绝缘阻抗的电流与流过绝缘阻抗的零序电流的方向相反，流过绝缘阻抗的电流为的3倍，即为每项零序电流之和。再分析线路各段的电流情况，变压器中性点0至线路中M点各相电流的情况： (式9)由于变压器中性点对地无电流回路，再根据式9，可以得出：零序分量只产生于绝缘阻抗和漏电故障点之间。所以对于单支路供电情况，如果在变压器端（图1中的0至M段）装设零序电流互感器，并不能反映该线路的故障状态。这也是供配电设计中的一个误区。1.3 单母线多支路漏电故障对于多支路供电情况，如图2所示，图2中共有n条开出支路L1、L2、Ln，每条支路每相对地绝缘电阻为，假设其中支路1的a相发生漏电故障，漏电阻抗为Zh，为方便计算，假设每条支路每相对地绝缘相等，即有：则图2中的零序电压为： (式10)式10与式5相同，即绝缘阻抗相当于所有支路的绝缘阻抗并联。为方便推导，下文中直接使用式5以描述零序电压。故障支路L1的零序电流为： (式11)非故障支路（，且）的零序电流为：(式12)所有非故障支路的零序电流之和为： (式13) 由于电网对地绝缘阻抗为电容性，此时的相角为（090o），再结合式11、12、13可以得出：若多支路中某条支路发生漏电故障时，电网各支路的零序电压相等，故障相零序电流大小为非故障相零序电流之和，方向与之相反。再有电网绝缘阻抗显电容性，固有：故障支路零序电流滞后零序电压90180，而非故障相零序电流超前零序电压090。也可以理解为：若多支路中某条支路发生漏电故障时，故障支路的零序功率方向为线路流向母线，而分故障支路的零序功率方向为母线流向线路。这便是设计选择性漏电保护装置时判别故障相和非故障相的理论依据。即选择性漏电保护原理。图 2 多支路供电漏电故障时等效电路图Figure 2 multi-branch leakage equivalent circuit2 选择性漏电保护的实现方法通过上面的分析可知，对于多开出支路的供电情况，若某支路发生漏电，则所有支路都会产生零序电流和零序电压，且各支路的零序电压完全相同，所不同的是故障支路与非故障支路的零序电流的大小以及零序电流和零序电压之间的相角。所以，实现选择性漏电有两种方式，一是零序电流方式，二为零序功率方向方式。零序电流方式只需检测各支路的零序电流情况，然后将每个支路的零序电流集中汇总到一个保护装置，保护装置通过对各支路零序电流大小的进行排序比较，判别出故支路和非故障支路，然后立即向故障支路发送跳闸指令，并延时一个时限向非故障支路发送跳闸指令。这种方法需要将所有支路的零序电流经行汇总集中，接线布线复杂，一般适用于组合开关或者开关柜具有漏电集中监测保护的场合，在此不做详细论述。本文着重分析零序功率方向型选择性漏电保护的实现方法。实现零序功率方向型选择性漏电保护装置首先需要检测零序电流和零序电压的有效值以及其相角之差。2.1 零序电压以及零序电流的检测方法零序电压的检测方法根据中性点接地方式不同而异。在矿井3.3KV以上的供电系统中，主要采用三相五芯电压互感器检测零序电压，如图3所示。图中TV为三相五柱电压互感器，互感器二次侧有两个绕组，同时采用五柱铁芯，目的是为零序磁通提供旁路通路。互感器的二次侧一个绕组“Y”接，另一个绕组“Z”接，即三角形开口，用于获取零序电压，这种方法广泛用于母线和线路的绝缘监视装置中。图3 三相五柱电压互感器的接线方法Figure 3 Connection Method for 3 Three-phase five-column Voltage Transformer图4 人为中性点经电感或者电阻接地时零序电压的检测方法Figure 4 zero sequence voltage detection method for Neutral grounded by inductance or resistance 在人为中性点经电阻或者电感接地的系统中，一般从人为中性点直接拾取零序电压，如图4所示。图4(a)为人为中性点经电感接地时零序电压的检测电路，图4(b)经电阻接地检测电路。由于变压器中性点与人为中性点之间无零序电流通路，所以人为中性点对地电压等于变压器中性点对地电压，即零序电压。图4中，C3、C5为隔直电容，一般用在零序功率方向型漏电保护与附加直流检测对地绝缘相结合使用的场合，用于隔离直流分量。图5 零序互感器的接线方法Figure 5 Zero Sequence Transformer Connection Method零序电流的检测一般使用零序电流互感器，如图5所示。线路中的主回路电缆的三相均从零序互感器中穿过。需要注意的是具有绝缘监视和屏蔽的电缆，监视层丝网一般作接地处理，监视层丝网和屏蔽层不能通过零序互感器的过线孔，否则无法检测零序电流。图5中S1、S2为的是电源的输入端，用于漏电动作试验。K1和K2为零序电流二次信号输出端。2.2 选漏装置的实现选择性漏电保护装置除了包括零序电流和零序电压的检测电路以外，还须具有滤波电路，A/D转换电路，整形鉴相电路，MCU系统，以及分闸控制电路，结构框图如图6所示。零序电压以及零序电流由图3、4以及图5所示的检测电路获得，然后经过滤波电路，滤除高次谐波以及干扰，得到可准确反映一次线路故障的信号。该信号一路给A/D转换器，经过A/D转换后，由MCU进行有效值计算，计算出一次线路的中的零序电压和零序电流的有效值。另一路给整形鉴相电路，经整形鉴相后，输出反映零序电流和零序电压相位差的脉冲宽度信号，该信号由MCU进行宽度测量，然后计算出零序电流和零序电压的相位差。然后MCU根据零序电流和零序电压的有效值，判断是否线路发生漏电故障。若果发生漏电故障，则根据零序电流和零序电压的相位差判断装置所在的线路是否为故障线路。若为故障线路，则立即发出分闸指令切断线路，若为非故障线路，则启动延时跳闸程序，如果延时过程中故障状态撤销，则跳出延时程序，返回到循环检测零序电流和零序电压程序段，如果延时过程中故障状态未撤销则说明故障线路未能成功切断，则发出分闸指令分断本支路。程序流程如图7所示。图6 选漏装置的功能框图Figure 6 Block diagram of selective leakage protection devices 3总结零序方向型选择性漏电保护对于多配出支路在某条支路上发生漏电故障时（除三相对称性漏电），能够准确的检测出漏电故障，并判断故障是否发生在本支路，满足横向选择性漏电保护的要求。但是对于只有一条配出支路的情况时，即使线路上发生漏电故障，在变压器的二次侧靠近变压器处检测不到零序电流（见式9），这时横向选择性漏电保护失去意思，而且只能通过零序电压互感器（变压器二次侧Z接）检测电网的零序电压来判断是否线路上发生漏电，或者通过检测绝缘电阻的方法检测电网的漏电。图7 程序流程图Figure 7 Program flow chart参考文献：1 顾永辉、范延瓒.煤矿电工手册（第二