对漏电保护器的安全性能剖析

对漏电保护器的安全性能剖析作者：101 文章来源：中国论文下载中心 点击数： 更新时间：2007-4-19 3:34:07 摘要： 在现行建筑行业为了用电安全常使用漏电保护器。 本文着重阐述了漏电保护器的重要作用、工作原理、使用范围及注意事项，同时也指出了今后建筑电气安全保护方面的发展趋势。 关键词： 漏电电流 碰壳短路 相地短路随着改革开放不断深入发展，人民的生活水平也在不断地提高。 如电冰箱、洗衣机、电视机、空调、电饭煲、微波炉多种多样的电气设备越来越多地进入千家万户，被众多居民普遍使用。 这些众多的家用电器，对于保护人身与设备的安全意识，引起了国内外人士的广泛关注。 因此，对建筑电气的设计和施工也提出了更高的要求。 当前，在中性点直接接地的380/ 220V 的低压配电系统中，已经开始采取将质量合格参数合格的漏电保护器与接地保护或接零保护正确地配合使用，较好地防止了漏电电击等事故的发生。1 漏电保护器安装的必要性保护接零一般采用TN-C-S 系统或TN-S 系统，也就是在电源入户之前将零线重复接地，且重复接地电阻10。 而在进户之后，工作零线N 与保护零线PE 则须分开。 此时，PE 线与所有用电设备金属外壳通过三孔插座的接地孔连接起来。而零线在引入配电箱后，应当和相线一样对地绝缘。 如果发生相线碰壳短路情况时，短路电流则经零线和接地极构成闭合回路。 这时回路阻抗很小，短路电流很大，从而此较大的短路电流致使保护开关跳闸，切断电源回路，达到安全保护的目的。 如图1 所示。 短路电流IK = U/Zd式中： IK相线碰壳短路电流，AU 相电压，Zd 零线阻抗与重复接地电阻之和，但是，TN-C-S 系统只能对用电设备的外壳在带电时起到保护作用，而对相地短路的情况则不能起到保护作用。 其原因是：在相地短路时(即设备绝缘破损发生的单相对地短路，简称故障短路) ，短路电流要经过设备与地面的自然接触，电阻流向电源中性点。 由于这时自然接触电阻很大，而短路电流很小，不足以使熔断器、断路器动作，切断电路，却能使故障引发的电弧火花持续很长时间，甚至着火。 如图2 所示。 为了克服以上存在问题，在建筑电气设计、施工中采用安装漏电保护器，就成为一种有效的触电或漏电保护手段。另外，在居民住宅中安装漏电保护器，也是当今我国按照国标GB6829295 标准要求，进行设计与施工的需要。2 漏电保护器的工作原理漏电保护器是由零序电流互感器、漏电脱扣器、脱扣机构、主开关、实验按钮等五部分组成。 倘若发生被保护设备的接地故障电流作用于漏电保护器的漏电脱扣器上的情况，其电流超过预定值时，则会立即出现开关跳闸，从而切断了故障电路。 如图3 所示。 一般来说在正常情况下，各相电流的相量和等于零。 由此，各相电流在零序电流互感器铁芯中感应的磁通量之和也等于零。 这时，由于零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出，主开关仍处于闭合状态，电源继续向负载方向供电。当发生接地故障，或设备绝缘损坏、漏电，或人触及带电体时，主回路中各相电流的相量和不再为零。 则会出现故障电流在零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，从而导致二次侧感应电压迫使脱扣线圈励磁，强令主开关跳闸，切断供电回路。由上可知，电流型漏电保护器是基于基尔霍夫第一定律：流入电路中任一节点的复电流代数和等于零，即I = 0。3 漏电保护器的作用及使用范围漏电保护器具有动作灵敏，切断时间迅速的性能。 在建筑电气设计施工中只要合理选用和正确安装，对保护人身安全和防止设备损坏，以及预防火焰将会有明显的作用。(1) 当人体直接触及220V 带电体时，漏电保护器迅速以0.1 秒的时间快速切断电路。 这时流过人体(一般人体电阻为1 000左右) 的触电电流为220/ 1 000 = 220 (mA) ，其电击能量为：220(mA) 0. 1 (S) = 22mAS 30mAS。 目前我国现行规定：对人体安全的电击能量为：1T = 30mAS ，可以明显看出，当人们一旦触及220V 带电体时，漏电保护器会在0. 1 秒时间内迅速作出反应，而不致出现生命危险。(2) 在TN-C-S 或TN-S 系统中，未装漏电保护器时，如果发生接地故障情况，设备外壳会产生对人身有危险的接触电压；当装有漏电保护器之后，即使发生了接地故障，接触电压在还没有达到危及人身生命时，漏电保护器就会立即切断电源回路。 其理由是：在住宅建筑电气设计时，设计者已为用户所安装的漏电保护器选择了额定动作电流小于或等于30mA ，动作时间为0. 1 秒。 当发生接地故障时，只要有漏电电流产生，就会在漏电电流小于或等于30mA 时，漏电保护器就立刻动作，切断了电源回路。 同时，30mA 的电流在0. 1 秒时间内作用于人体不会危及生命安全。(3) 安装漏电保护器对配电线路的绝缘水平起到监察作用。 如果设备出现碰壳故障或绝缘损坏，就会有漏电电流产生。 当漏电电流达到漏电保护器的额定动作电流时，将立即动作切断电源回路。 也就是说，在人尚未触及故障设备危险的接触电压之前，就已经将故障线路切断了。 从而提前避免了触电死亡及火灾事故的发生。(4) 一旦出现发生接地故障时，由于切断故障线路因素不是依靠过电流保护，而是依靠漏电保护。 再则，漏电保护的额定动作电流数值很小，与过电流相比，相差1000倍10000倍。因此，出现在设备外壳的接触电压也很低，一般小于50V ，大大提高了安全性。4 漏电保护器使用时应注意事项(1) 漏电保护器适用于电源中性点直接接地或经过电阻、电抗接地的低压配电系统。 对于电源中性点不接地的系统，则不宜采用漏电保护器。 因为后者不能构成泄漏电气回路，即使发生了接地故障，产生了大于或等于漏电保护器的额定动作电流，该保护器也不能及时动作切断电源回路；或者依靠人体接能故障点去构成泄漏电气回路，促使漏电保护器动作，切断电源回路。 但是，这对人体仍不安全。 显而易见，必须具备接地装置的条件，电气设备发生漏电时，且漏电电流达到动作电流时，就能在0.1 秒内立即跳闸，切断了电源主回路。(2) 漏电保护器保护线路的工作中性线N 要通过零序电流互感器。 否则，在接通后，就会有一个不平衡电流使漏电保护器产生误动作。(3) 接零保护线(PE) 不准通过零序电流互感器。 因为保护线路(PE) 通过零序电流互感器时，漏电电流经PE 保护线又回穿过零序电流互感器，导致电流抵消，而互感器上检测不出漏电电流值。 在出现故障时，造成漏电保护器不动作，起不到保护作用。(4) 控制回路的工作中性线不能进行重复接地。 一方面，重复接地时，在正常工作情况下，工作电流的一部分经由重复接地回到电源中性点，在电流互感器中会出现不平衡电流。 当不平衡电流达到一定值时，漏电保护器便产生误动作；另一方面，因故障漏电时，保护线上的漏电电流也可能穿过电流互感器的个性线回到电源中性点，抵消了互感器的漏电电流，而使保护器拒绝动作。(5) 漏电保护器后面的工作中性线N 与保护线(PE) 不能合并为一体。 如果二者合并为一体时，当出现漏电故障或人体触电时，漏电电流经由电流互感器回流，结果又雷同于情况(3) ，造成漏电保护器拒绝动作。(6) 被保护的用电设备与漏电保护器之间的各线互相不能碰接。 如果出现线间相碰或零线间相交接，会立刻破坏了零序平衡电流值，而引起漏电保护器误动作；另外，被保护的用电设备只能并联安装在漏电保护器之后，接线保证正确，也不许将用电设备接在实验按钮的接线处。以上叙述的几条注意事项，都是很容易在使用中出现错误的地方，故在本文中特地提出来，希望读者在使用漏电保护器时格外注意。5 结论漏电保护器的使用对低压供电系统的安全可靠性起到了很重要的作用，它弥补了IN-C-S 与IN-S 系统的不足。 但是，还不能说用了漏电保护器，在供电系统中就万无一失了。它并不是防止电击事故的惟一措施，也不是特效措施。 譬如，在高层建筑中，往往把高低压配电室的电气设备金属外壳、金属板、建筑物钢筋基础网连接起来。 如果高压电气设备外壳碰壳带电，便会产生一个120V 的危险电压(10KV 对地电容电流为30A ，接地电阻4 ，30 4 = 120 (V) ) ，该电压通过PE 线窜到低压设备的外壳，漏电保护器对PE 线无法检测，造成保护失效。 欲要克服这种不足，则应通过实施用国际电工委员会的标准及GB50054-95 规范中推行的等电位联结的方法去解决。参考文献1 凌智敏.剩余电流保护器讲座J . 电世界，1996 (10) .2 周鸿昌1 配电系统的安全用电与漏电保护J . 建筑电气.1993（1）. 基于二总线的漏电保护系统作者：101 文章来源：中国论文下载中心 点击数： 更新时间：2007-4-19 3:34:08 摘要： 阐述了二总线在井下漏电保护装置中的应用，通过总保护的微机对井下绝缘电阻的实时监控及总保护和分支出口保护之间的总线通信，快速判断出故障线路并及时隔离故障，从而全面提高了井下工作的安全。 关键词： 漏电保护 二总线 零序电流1井下漏电保护现状我国大多数矿井电网一直沿用中性点不接地方式，随着井下供电线路的加长、电容电流的增大，发生故障时会造成单相接地电流大于20A，有的甚至超过70A，而煤矿安全规程中规定超过20A就应采取措施降低到20A以下，因而广泛采用中性点经消弧线圈并电阻接地系统。系统保护中，根据我国井下低压电网的运行情况，一般认为对低压配电网实行两级保护，级数再增加将没有使用意义。实行分级保护的目的是从人身、设备安全和正常用电的角度出发，既要保证能可靠动作，切断电源，又要把这种动作跳闸造成的停电限制在最小范围内。常用的漏电保护装置多为附加直流电源式保护和零序电流保护装置。总保护处安装附加直流电源保护，无论系统发生对称性漏电还是非对称性漏电，保护均能可靠性动作。分支出口处安装零序电流保护作为横向选择性保护的主保护。漏电系统一般建立两级后备保护，附加直流电源保护和漏电闭锁分别作为分支漏电保护单元的一级和二级后备1。在实行分级保护的低压电网中，决定分级的条件是下一级保护器的额定动作时间（包括主开关断开电路的跳闸时间）必须小于上一级保护器的极限不动作时间。对于下级保护，要求其额定动作时间达到最快，从而快速切除故障。对于上一级保护，为保证选择性就需一定的时间延时，以躲过下级保护在动作跳闸时所需时间。据现场调查，零序电流漏电保护动作使分支开关动作跳闸总时间达到200ms，则附加直流电源保护的动作时间需加上200ms的固定延时，才能保证选择性。因此当发生对称性漏电（分支无法检测）、分支保护失效或开关拒动时，总保护动作时间高达400ms。此时将会使人身触电电流增大，不但不能保证人身安全，更不能防止沼气、煤尘爆炸。随着真空断路器的推广，虽然由于保护动作时间级差t的减小，将短路造成的损失降低到最低限度，但没有从根本上解决由于时差而带来的问题。2改良方案改良方案中，在总的漏电保护单元与分支单元之间建立在线通信，以确保在最短的时间内切断故障点，消除现有漏电保护系统存在的死区。2.1二总线技术本文通信总线采用二总线技术，二总线是一种高可靠性、自动同步编码解码通信，可以将现场节点的多个模拟量转换成数字量并进行远距离串行传输。其特点如下：a.智能跟踪自动编码；b.远距离监测，监测距离2km；c.同时传输信号和功率，节点无需单独供电；d.回路节点数目可根据规模增减，最多64个。二总线非常适宜于井下配电馈线出口多及馈线线路逐渐增长的现状，可抵制井下各种干扰的影响。二总线进行通信，2条总线之间的电压为24V，发送端的二总线通信芯片将需要传输的数字量以电流形式串行输出到二总线上；接收端从总线获得功率的同时接收信号，实现了功率和信号公用总线的要求2。2.2通信实现常用的总线接口有QA840159等，提供单片机和总线的接口，通过握手电路和数据总线与CPU进行数据交换。总线接口从CPU中取得编码地址、控制码等信息后向总线回路发出标准串行码，包括地址段、地址校验段、控制段和模拟量返回段。地址段和地址校验段完全相同，以保证通信的可靠性。二总线通信编解码芯片位于分支出口处，可以自动同步编解码和片内A/D转换，它不需进行频率和同步调整，可对总保护的编码数据进行智能化分析并自动跟踪对位，片内高速A/D转换电路仅在地址符合时加电，大大降低了系统总电流，可很方便地实现模拟量采集并实现二总线通信。3智能漏电保护的设计系统由总保护、分支保护、二总线通信接口三大部分组成。各分支保护检测到的实时井下数据可通过二总线进行通信，设井下馈线分支出口数为n，其结构图如图1所示。 总保护处为性价比较高的单片机8051系统，系统有A/D转换器、输入/输出接口、闪存、输出执行电路等组成。总保护处装有附加直流电源式漏电保护，可以检测出电网总的绝缘情况，同时通过漏电直流检测电路的取样，监测井下电网A，B，C三相的绝缘电阻的变化，并由电路显示，所以容易查找和处理故障相。正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平，故障跳闸后循环显示故障时的参数和状态，从而大大提高了判断故障的效率。若设有不同的给定值存储在微机内，微机就可以判断出故障是接地故障、人身触电事故还是绝缘电阻下降故障。总保护处通过总线接口和二总线相连，进行通信。在总保护处和分出口处检测各支路的零序电流，分支保护处编解码芯片接收总保护处的地址、控制信息，当和本身地址相同时，启动A/D转换，进行零序电流检测，并通过二总线将电流值上传给总保护，通过总保护进行集中式选线判断故障相，由总保护发出口跳闸指令以切断故障线路。漏电保护原理中指出，当发生接地故障时，流过故障相的故障电流是所有非故障相电流之和，故障项的零序电流为所有出口处零序电流数值中的最大者。集中式选线综合比较所有零序电流的数值，考虑到零序电流互感器会产生不平衡电流，而不同的互感器的不平衡电流值不同，所以仅比较零序电流值大小将会有一定的误差。现采用简单的差值比较方法，即将各电路所测出时间间隔相同的故障前后2次零序电流值相减，比较各零序电流的算术差值。故障线路零序电流的增量是所有线路零序电流增量之和。判定差值最大与其他线路有很大差距的线路为故障线路，从而完成保护的横向选择性，并有效地避免了由互感器不平衡电流带来的误差。总保护通过电流差值集中判断，找到最大值及分支故障线路，然后发跳闸指令，由分支开关动作；若各分支的零序电流之差相差不大时，判定为母线故障，由总保护处开关动作。判定为分支故障发跳闸指令后，总保护处继续监视电网的运行，若故障仍然存在，说明跳闸失败或判断失误，为保证安全，由作为后变压器保护设计中几个问题的解决方法探讨作者：101 文章来源：中国论文下载中心 点击数： 更新时间：2007-4-19 3:33:57 摘要：介绍了大型高压、超高压变压器保护设计中的若干技术问题，对大型高压、超高压变压器保护设计中一些技术问题的解决方法给出了较详细的说明和探讨。采用零序补偿方式校正电流量对变压器励磁涌流的识别有利，且可提高其对接地故障的灵敏度；故障分量差动保护提高了其对匝间短路和高阻接地故障等轻微故障的灵敏度；附加稳定特性区方法解决了TA饱和对差动保护的影响问题； 采用电流和电压量的综合判别来识别TA二次回路断线和短路故障；采用整定N组定值拟合过激磁曲线方式解决过激磁保护的工程适应问题。 关键词：励磁涌流；零序电流补偿；故障分量；断线或短路；过激磁中图分类号：TM0引言电力变压器是发电厂和变电站的主要电气设备之一，对电力系统的安全稳定运行至关重要，尤其是大型高压、超高压电力变压器造价昂贵、运行责任重大。一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大、时间长，要造成很大的经济损失；另外，发生故障后突然切除变压器也会对电力系统造成或大或小的扰动。因此，它对继电保护的要求很高。对大型高压、超高压电力变压器的保护设计，一般要求解决以下一些技术问题。（1）快速准确的区分出变压器的励磁涌流和各种故障情况，区内故障和区外故障；（2）迅速准确的识别出变压器过励磁情况，解决对变压器保护的影响；（3）提高变压器在带负荷运行情况下发生轻微匝间短路和高阻接地故障时保护的灵敏度；（4）解决电流互感器TA二次电路断线或短路时对变压器差动保护的影响；（5）消除TA饱和时对变压器差动保护的影响；（6）解决和应涌流对变压器保护的影响；（7）提高变压器过激磁保护对各种变压器过励磁倍数曲线的适应性等等。随着继电保护技术、电子技术、通信技术等方面的不断发展，为在变压器保护设计中解决这些技术问题提供了可能。特别是现在大量采用的微机型变压器保护装置，在越来越好的计算机硬件平台的基础上，具有了更加强大的数据处理、数据记忆、计算、逻辑判断等软件功能，因此，可以很好地处理和解决变压器保护中的这些技术问题。下面根据在变压器保护方面进行研究、设计和应用的体会，对其中几个技术问题的解决方法作简要的探讨。1提高励磁涌流和故障情况的识别变压器差动保护中一个很重要的技术问题就是防止变压器励磁涌流引起差动保护的误动。同时，当在保护区内发生各种故障时能够迅速动作切除故障，以保证变压器可靠、安全运行。提高励磁涌流识别的一个很重要的环节就是对输入保护中电流量匹配方法的处理。在电力变压器中有电流流过时，通过变压器各侧TA的二次电流不会正好完全平衡。因此，变压器差动保护系统设计时必须考虑这些因素，只有使得经过各侧的电流合理匹配，才能进行比较。一般情况下，微机型变压器差动保护装置可以采用数学表达式来模拟变压器各侧电流的匹配情况。其通常的编程系数矩阵数学表达式3为：IOUT = KnAIIN (1)式中，IOUT为匹配后的该侧电流Ia、Ib、Ic的矩阵；Kn为该侧变比平衡系数；A为该侧相位平衡系数的矩阵；IIN为该侧输入电流IA、IB、IC的矩阵。如果采用零序电流补偿方式，其通常的编程系数矩阵数学表达式3为：IOUT = KnAIIN+K0I0 (2)式中，I0为该侧中性点零序电流的矩阵；K0为该侧零序变比平衡系数。例如，对于图1所示的变压器接线情况，如果设定输入微机型变压器差动保护装置的变压器主一次和主二次电流的各侧电流互感器均为星形接法，且同名端均在变压器的外侧，那么保护装置中电流互感器联接组的变比匹配和相位修正方式可以采用如下两种方式：IA1IA2 图1 Y0 /-11接线变压器方式一，按照式(1)确定的各侧编程矩阵方程为：（3）(4)显然，这种匹配方法消除了变压器Y0接线侧零序电流的影响，这将使该侧变压器的接地故障灵敏度受到了一定的影响；另外，更重要的一点是使得该侧不同相电流之间互相有影响，从而破坏了它本身的原始特征，因此，对保留变压器励磁涌流的原始特征不利，可能会产生对称性涌流使得对励磁涌流的识别不利。方式二，同样针对图1，采用零序电流补偿方式匹配变压器Y0接线侧的电流，各侧编程矩阵方程按照式(2)和式(1)确定为：(5)(6)可以看出,采用零序电流补偿的方式,使得变压器Y0接线侧的零序分量得到了保留，这对该侧的接地故障灵敏度更好些；更重要的是，由于对变压器一次侧电流互感器输入的电流没有相关合成，所以对变压器产生的励磁涌流的原始特征保留情况完整，对识别励磁涌流有利。因此，采用此种匹配方法可以更好的识别变压器的励磁涌流。采用通常方式的匹配方法，如果涌流判据采用最大相制动，那么故障相将受非故障相电流的影响，因此，在变压器空投到故障时将延缓保护动作的时间，对变压器安全不利；如果涌流判据采用故障相制动，那么在变压器空投时容易误动。然而，采用零序电流补偿方式的匹配方法，当变压器空投到故障上时，故障相的电流为故障特征，非故障相的电流为涌流特征，励磁涌流判据采用分相制动方式，可以明确区分励磁涌流和故障特征，非故障相不会延缓故障相的动作速度，提高了保护对励磁涌流和故障的识别。2提高对匝间短路及高阻接地故障的灵敏度为了更好的保证变压器的安全运行，能够可靠、安全地判别出变压器所发生的轻微匝间短路和高阻接地故障等轻微故障，对提高变压器安全运行水平有着重要的意义。采用故障分量差动保护是解决这一问题的有效方法。故障分量差动保护采用判别任一相差流是否满足动作判据而动作的方法。该保护的动作特性曲线见图2。图2 故障分量差动保护动作特性该保护动作判据的计算公式为：(7)式中，Id87为 最小门槛值；K1 、K2 为比率制动系数；IGD 为拐点电流值；Ir为制动电流的故障分量；Id为差动电流的故障分量。由于负荷电流在差动电流和制动电流中均被消除了，所以与故障前的负荷情况无关。尤其是在制动电流方面的好处提高了差动保护的灵敏度。根据平衡相似网络1的概念，故障分量差动保