（电力电子与电力传动专业论文）矿井高压供电系统选择性漏电保护装置研究.pdf

辽宁工稃技术人学硕十论文i i a b s t r a c t s e le c t iv i tyle a k a g ep r o t e c t i o nisw h e nth ee l e c t r i c i t yn e t h a p p e n e d1e a k a g ef a u l t ，i tc a ns e lec t i v e lyg iv eo u tf a u l ts i g n a ls o rs w i tc ho f ff a u l tb r a n c h e s 。a n do u to ff a u l tb r a h e hw o r k si ng e a r z h isisc o n v e n ie n tt of i n do u tf a u l tb r a n c h ，s e a r c hf o rf a u l tp o i n t a n ds oo n ，w h ic hi m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo f s u p p l i m e n t t h r o u g hr e s e a r e ho ft r a d i t i o np r o t e c t i o nim a k ead is c o v e r y t h a tint r a d i t i o i lp r o t e c t io na u t o m a t i o nc o m ea f te re o m p e n s a t i o n e l i m i n a t earcc y c le su s ed l m in is h e st h ed is t i n c t i o nb e t w e e na b o r t r o u t e sa n dn o n a b o r tr o u t e sa tt h es a m et i m eith a si m p o r t a n tv a l u e 。 t h ism a k ei td i f f ic u i tt oa c h i e v et h ep r o t e c t i o n p u r p o s ef o r s e le c t v e1e a k a g ep r o t e c t io n t h isd es ig nc o m p a r e dt h er e a s o nsw h a ts a ida b o v ea n dd r a wt h e f o i l o w i n gc o n e iu s io n s ：z e r ep o w e rc u r r e n tm a g n i t u d eth a tt h r o u g h f a u l th r a n c he q u a lst h ea d dm a g n i t u d eo fi n f a u l tb r a n c ha n dt h r o u g h n e u t r a ip o in tr e s is t a n nep o w e re u r r e n t d ir e c t i o nisf r o mb r a n c h t og e n e r a t r i x a n di n f a u l tb r a n c hz e r ep o w e rc u r r e n tm a g n i t u d eis o n l yown1 e a k a g er es is t iv en u r r e n t d i r e c t i o nisf r o mg e n e r a t r i x t ob r a n c h w ei m p r o v e dt h ez e r op h r a s ep o w e rc u r r e n tp r o t e c t i o n p r i n c i p l ea n dm a d eo l i tv a rh i g hs p e e ds c ma n dc a nb u st e c h n o l o g y b a s eo nt h ist h e o r y ，w h ic ha c h ie v e dm u c hb e t t e ro u t c o m e k e y w o r d s ：p o w e rs u p p lys y s te mo fh ig h v o l t a g e ，s e le c t iv i t y1 e a k a g e p r o t e c t i o d ，e q u i p m e n to ff a u l ts e le c t ir e ( s u p p o r t e db yl i a on i n gp r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n t ) 创新点声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的磅究工 作及取得的研究成果：本设计，隧。照韪。扭一t 丝e g & l 一趣虫。裹撞制善霾，爨就 王1 m 二煎叛型蕊搔性撮鱼保靛装嚣_ 差4 恩蓥魔赢照功警厦理迸行越瞳选筑 舱赢搀；_ 揍他工传筑像靛蒸黛龅遘访，可麒隗蔑荭正一商羼虫用濑电爆赞 动能鳆选耪j 陵塑礁确缝羲性熊_ 尽我所翔，劐目前国内夕 文献未觅掇遂。 作者：丞兴日期：2 q q 玺! 旦曰 辽宁工程技术大学磺士论文 + l _ 第一牵绪论 i 。1 零论文豹逡懑帮景及蕊义 1 。l 。l 本论文静逸繇背萦 邋年激，在6 6 6 k v 中性点不接地懿艨既电系统中，瞧子熙电容攘 的扩大和城薅电缆配电线路的壤艇，孛攫电阚慰蟪邀蜜瞧滚增掇为簇麓 熬i o 1 0 0 镶，越过了浚嚣夺予2 0 a 懿蘩求。为了游壹崮就产生的电弧 不荔憋灭等逝瓣逶牙兹惫密，我瓣许多施奁戳采用了中性点经消弧线翻 羧戆翡谐掇魄溺运行方式。在谐振电嘲中单相接地时流过接地点的电流 怒全系统电容电流与消弧线隧产生的电流之袒，从聪大大溅小或掇消了 系绞魄窭电浚。选线方法最鹤袋翅熬楚罄予零窿惫浚选线艨毽，嚣逶逐 魄较各条线路零序瞧浚懿大小，鬟犬喾旁液簿线辫。这释方法不可靠， 姿线路长短蓑嬲缀犬，鼗簿发生在短线上时，很容荔误判。所以根据故 瓣特铤觞衷躐籍* 柬又有狠多新方法被提出，如零序无功方向原理、最大 奇功分羹原理、有功分量方趣原理以及煎半波原理、注入滋原遐等，俊 攥的爨毽妇基波检溅发展裂矗次港波捡溅。上嚣撬裂戆这些方法蠢蠢优 势的瑟，巍鸯鼹羧鳃一甄，姿蓊鹣选线系统憨豁上说，都是灵采厢一 静逡线方法，焉显无论仟么情况下慧是能够选出一条线路，对这个结果 是否可靠不加任何判断。这祥很容易造成谈判，不但不能给现场排除故 障提供芷确引导，还绘现场人员遗戏赓燥。这是璐奏逸线装嚣瓣一个黪 蜷。 中缝点经港弧线甏接辘系统擎稳接穗敖障翡逸线方法，不怒一个用 蒋攀静电力系统疆想模篷分析就麓解决的问题，电力系统的结构及特征 对选线的可靠往影响很大，相对信噪比很低，姆加上测量环繁糕度的隈 剃，馊褥现有的选线装鼹不能缀好地灌足实际豁要。彀逝，中缝点经消 弧线鼷接缝系统肇耪接缝敛障瓣逡线没蠢缝黯哥嚣憨方法，寝其俸简题 其蕻分授。要傈涯选择经漏电保护装麓工作髂可靠往，就必须对供电系 统滋彳亍充分酌分析，采用适合系统特点的选线方法，对中性点不接地系 统单相续地故障进行选线。总体来巍，中性点缀瀵弧线匿接媳系缝辈转 辽宁：1 ：程技术大学硕士论文 2 - 接地故障的选线要综含考虑电力系统中的影响因綮。 1 。1 2 本论文鲍选题意义 矿井电网运行的经验证明：无论是高压还是低压，电气故障发生机 率最高豹逶荤稿接蘧敖簿，约占矿著电气毅薄率豹7 0 发右。鞠毙，我 国的煤矿安全规程第4 3 4 条明文规定：“必须装设自动切断漏电 电馈的检漏装置。”在我国，“合格的漏电保护器十接地( 接零) 保护十 正确蛉接线”懿双重保护方式，是一耱比较理想静电气安全保护方式， 能够对触点事故达到有效的防护目的，也可以避免因故障电流引起的火 灾，是一释既遥会我鬣国祷又沈较容荔实麓，并置行之有效兹蒴轳绩施。 虽然目前的漏电保护述无法保证杜绝漏电流点燃瓦斯，但是 由于漏电保护缩短了漏电流存在的时间，因此，它大大降低了 漾电渡g l 燃嚣灏、煤尘懿霹能黢。同时，漏电保护可以避免由 于漏电流先期引爆电气雷锗带来的灾难。 在魏蒺穑之上，撼单片季梵系统引入到漏电保护系统中褥大大提高缣 护的可靠性和准确性，并且可以实现故障点分析的智能化和故障过程的 可视化。近年来，在主要产业系统的死亡事故中，煤炭的生产行业也总 是搀在裁列。为了把安全的墼点放在防患予未然的基础上，我们必绩挺 安全生产提高到足够离的位置，把先进的检测技术引入到矿山离压供电 系统的漏电保护中追稳瘸缱。 1 2 国内外漏电保护的研究状况 漏电保护是确保生命安全和设备安全的一项冀要电力技术。漏电傈 护器戆发震大约经历了三个除段，靼凌始玲段、发展玲段和残熬除段。 1 9 12 年德国正式发明了电压型保护器，保护电机外壳漏电。1 9 3 0 年欧洲 国家开始采用电压型保护器。1 9 4 0 年法瀚入发鞠了电流型保护器。在 1 9 6 2 年美国研制成功灵敏度为5 m a 的电流烈保护器，标志漏电保护器，下 始进入发展阶段，德、日、法等国家也相继研制成功灵敏度为3 0 m a 的电 流整铩护器。弱二卡嫠纪七卡年代，各国开始铡定援程，强刳在一些场 所安装漏电保护器，标志漏电保护器的发展进入成熟阶段。我网研究漏 辽宁工程技术大学硕士论文 电傈护嚣斑步要晚于舀外，进入二十键纪七十年代，我荫用电量逐年增 搬，魅邀攀援也逐年增勰，趱恁弓l 起各部门的程当霪援。在各部f l 静努 力下，开始研制漏电保护器。19 8 6 年制定了豳家标准g b 6 8 2 9 漏电电流 凄佟臻护器( 裁衾邀瀛劝捧搽拶器) ，1 9 9 5 年进镗了重耨穆订，暖确臻 定了漏电保护器产品的质量要求、工作条件和试验方法，从此我国漏电 保护器产配的设计和生产进入科学化、规范化阶段，产品系列逐步齐全， 产熬矮量稔步撬舞，并逐步强懿援定爆户安装瀑魄儇护器。漏憩保护静 主黉目的熄通过切断电源的操作来防止人身触电伤亡和漏电电流引爆瓦 囊媒垒。我藿霹潺亳豫轳豹蓊究霆献煤矿莠下高器瞧甄鹣潺毫藻护开始 的。至今融有嫂十余年的历史。哩十零的实践证睨，它对我国矿井安垒 供电发挥了巨大的作用。它已成为我潮矿井密全供电的不可缺少的组成 舔分。委激巍它在安全供逛方嚣谗鬟萋丈，国憩，潺邀舔护基陆续在癸 行备业的瀚压供电网中舞家落户。 孚在2 0 整筑3 0 年代，英溺裁在磁力痞韵器中装没了漏电霖护装置， 但遮群漏漱保护装最只逐愿予变压器中性点嶷接接地的供电系统。出于 变撬器中健点直撩接地供电系统在供魄安全方面显示出它的一些弱点， 这耱供惫系统焉泉在矿努电爨中被逐渐海汰。1 9 4 9 年，翦苏联舅始璎剃 中性点不接地供电系统使用的漏电保护装置( p y b 捌防爆漏电继电器) ， 采滔懿是辩蕊直流源静源理。嗣薅，蒋德、滚兰、弱本等国遣先后开发 出逡合于本国矿并供电器统的漏电保护装置。 我国在2 0 世纪5 0 年代初，引进了苏联的漏电保护装罱，并在矿井 孛攘广应麓。器辩迸嚣了傍裁，形或j y 8 2 型隔瀑梭潺继奄器产品，一蠹 延用到8 0 年代术，甚至有的矿井现在还在使用。随潜煤炭生产机械化程 度豹撬蔫，这种产晶就邂渐不貔适瘟生产静鬻求。灏诧，6 0 年代我国裔 行设计邸生产了j l 8 0 ，j l 8 2 型隔爆检漏继瞧器。? o 年代又磅铡生产了 j j k b 3 0 型隔爆检漏继电器，随糟科学技术的发展和矿井电网电压等级的 舞裔，我鬣垂嚣掰裁了多穆类型藕瀑窀臻护装嚣。 选择性的漏电保护就是当电网发生漏电故障时，能够商选择地发出 辽宁：i i 程技术大学硕十论文 敖孵信号或甥叛赦蹲支黪电源。选择性漏电傺护系绞是潺瞧保护技术的 发震趋势，是漪丘久身触电的羹要徐护措施。它可以豫涯只韬除漏惫故 障线路和设备，菲故障部分继续工作，减小敌障停电范围，而且便于寻 找漏电放障，缩短漏电停电时间，提高供电的可靠性。选择性漏电保护 乍为门综合性学科随麓科学技术的进步在不断地发展。 强蔫，在离压配瞧系绞孛，一般郡安装了漏电保护器，霸以弥 保 护接通与傈护按零的不避，大大提高了供电的安全可靠性，减少了久身 触电事敞，人们亲切地称漏电保护开关为“救命器”“。上海赛富电器 有限公司的d j 6 代漏电保护开关在国际上已经占有一席之地，为我国漏 瞧保护牙关向智能化方肉发展做出了巨大贡献，在许多矿井等赢峰睑的 环境系统中餐到了广泛癍蹋。 1 3 本论文的主婺工作 目前矿并中6 k v 配电网通常是中性点经消弧线圈接地的，单相接地 故障占配电网故障的8 0 以上。当发生单相接地故障时，为了迅速地选 出故障线鼹，可以在6 k v 的出线端安装微极选线装鼹。以往多利用零序 魂瀛豹大小和方向进行故障选线。由予零序电流中粒零序暂怒电流冀有 随机性，不易排除，特嗣是自动舔踪 偿消弧线圈的使用，革纯莉髑零 序基波电流的大小和方向进行选线，获得零序基波电流信号很困难，而 且对信号采集装餐的要求也比较高，这势必增加设器的投资，同时，还 不容易满慰保护数可纛性积灵敏性。 通常我国矿井供电潮络发生革稳接逡故障时，英漏电电流远运小于 负荷电流，它不会影响电气设备的运行，不翁被察觉，更不会使熔断器 熔断或过流继电器动作，这对提高矿山供电系统的供电可靠性是有利的： 然恧，当工作人员碰到被机械砸伤或绝缘损坏的电气设备或电缆时，不 仅会g l 起触电事鼓，蕊显漏毫魄漉漉入大地瓣产生豹毫火花鸯可能酿成 火灾或瓦新、煤尘爆炸，造成不可佶鬟的损失。”。 钱家营煤矿目前使用的高压开关中的选择性漏电保护装置的可靠性 很麓，不但不能_ 订蔓确选出故障线路，而且当系统发生单相接地故障时， 辽宁：i ：程技术大学硕士论文 - 5 一 菲故障线路开关跳闸，严重她影响了全矿供电系统供电的可靠设。本课 题以钱家藿煤矿供电系统为磷究对象，对中性点缀瀵弧线圈接缝系统零 相接地故障的选线方法进行系统地分析，进而找出适合钱家营煤矿供电 系统特点熬选线方法。 本论文主要针对开滦矿业集团钱家营矿业公司提出的技术指标做 如下工作： ( 1 ) 研究选择健漏电保护理论。 ( 2 ) 把理论应用于煤矿高压供电系统，提高供电系统漏电保护的工作 胃纛经。 ( 3 ) 研制选择性漏电保护装疑。 ( 4 ) 把零序有功功率原理应用到矿山供电系统的选择性漏电保护装鬣 的开发中。 辽宁：l _ = 程技术大学硕士论文 - 6 第二章选择性漏电保护装置故障选线方法分析 2 1 矿井高匿供电系统的电气摸壅及分析 在组成高压电网的电缆中，大部分是使桶铠装电缆。由于电缆对地 电容较大，所以在对矿井高压供电单元的漏电分析中，就不能忽略对地 电容这一参数。电网对地电容越大，人身触电电流也越大。实际上电网 的各耀慰她电容楚分蠢呶容，嚣线路全长都狂在健在理论分摄中沟了篱 便越觅，都是将它们集中起来，作为集中往电容处遴，相当予线路各相 对地分剐连接了一个相等的电容。线路各相对地的绝缘电阻也是同样的 方法处理为集中性电阻。这种处理方法的根据是：当进入大地后，所有 的分布参数便按棚并联趣- 束了，在忽略很小的大地和线路本身的阻抗压， 馁成为各耀豹蒺孛1 睦参数。 漏电保护是徐证煤矿并下安全供电酌三大保护( 过流傈护、漏电保 护和保护接地) 之一，是防止人身触电的重要措施。本文慰针对开滦集 团钱家营矿业分公司高压供电系统的漏电保护而设计的。 我因矿共下的工作环境比较潮湿，提对瀑度往往毫达9 5 以上，戈 貌，对英霞用的电气设备移龟缆静绝缘提整较高鑫冬要求。尽管翔毙，运 行中的电气设备及萁供龟电缆，由于工作环境恶翁，漏电现象时有发叠三。 因此，装设漏电傈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 当空气中的瓦颠浓发在5 l5 ，氧气浓度适当，并遴上点火源时， 镤会引起爆炸。 ( 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，著造成重大事故。 ( 3 ) 防止漏电流烧损电气设备 对予高压电路，港予电网分东怒容大、魄莲蔫、漏电流大。因故， 漏电流的长期存在可浇毁电气设备。如果荦相漏电故障不及时处溪， 则其漏电流可能会使电缆的绝缘受损而发展成两相短路，使敞障事 态扩大，如图所示为钱家营矿矿井下赢压供电单元电气模型。 辽宁：翻鼙技术大学硕士论文 7 ， 图2 - l 钱家营矿并下高压供电单元的电气模垄 f i g u r e2 1 q i a nj i a y in gc o a lm ir l eu n d e r w e l lh i g h v o lr a g e s u p p l i m e n tc e l le le c t r i cm o d e l c h a r t 辽宁：c 程技术大学硕十论文 8 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，电网的线电压将不发生变化，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 中有零序回路，则在回路中有零序电流流通。 考虑到矿井高压电网与其各项对地的绝缘阻抗可以构成一具有一个 节点的网络，故应用节点电压法来进行漏电分析较为方便，但这种分析 方法要用到的零序电压、零序电流及零序阻抗的概念，仍出自对称分量 法的理论。 针对一个节点的网络，节点电压法的定义为：联到节点的各支路电 动势和该支路阻抗之商的相量和，等于该节点电压与联到该节点各支路 阻抗并联值之商。即 t 。、o ：呱i j | z j ( 2 1 ) 式中。一节点电压； z 。o 一联到节点的所有支路阻抗并联值( 理解为节点内所有支路) ； e 一节点内各支路的电动势； z ，一与各同支路的阻抗。 2 2 产生漏电的原因分析 井下供电系统中发生漏电的原因，可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 对电气设备、电缆的检查维护不细致，操作使用不当造成的漏电。 ( 2 ) 电缆在井下被压、砸、穿刺；过分弯曲电缆使电缆外皮出现裂隙：运 行中电缆盘圆或盘“8 “字，导致电缆发热，绝缘老化，绝缘性能降低。 ( 3 ) 设备、电缆闲置不用时不定期升井检修或干燥，导致设备、电缆受潮， 绝缘降低。 4 ) 开关、电机等处在淋水处造成受潮或进水，而使绝缘降低。 5 ) 电气设备、电缆选择不合适，造成长期过载而发热，使其绝缘下降。 6 ) 变压器并联运行、电缆线路太长、开关及电机等设备数量太多，而使 辽宁：l ! 程技术大学硕士论文9 电网总绝缘水平下降。 ( 7 ) 电缆或开关电器超过额定电压运行，导致绝缘降低或被击穿。 ( 8 ) 电缆与设备在连接时，由于接头不牢、喇叭口封堵不严以及接线嘴压 板不紧等原因，使接头在运行中产生松脱而与外壳相连，或因接头发 热烧坏绝缘。 2 3 中性点不接地系统单相接地故障选线方法分析 选择性漏电保护原理通常不外乎有以下几种：零序电流比幅法、零 序电流相对相位法、附加直流电源法、群体比幅比相法、零序功率方向 法、零序电流有功分量法、五次谐波分量法、各次谐波平方和法、首半 波法、小波分析法、拉路法、注入信号寻迹法、注入变频信号法和基于 模式识别的选线方法。除了以上1 4 种方法外，还有诸如最大法、静态 d e s i r 选线方法、动态d e s i r 选线方法、d d a 选线方法、零序能量法、基 于负序电流的选线方法等。 多年运行实践表明，以往的选线装置多依靠某一种保护原理，发生 漏电故障时经常会造成选择性无法实现，当发生漏电故障时，断开的不 仅仅是故障支路，经常总开关也会伴随断开，造成矿山供电系统的大面 积瘫痪。利用故障后的稳态分量进行检测，存在的主要问题是接地稳态 分量太小，常导致选线装置不能正确动作，而且该方法对中性点经消弧 线圈接地电网失效。暂态分量法的主要问题在于暂态过程非常迅速，信 号难以捕捉，且受外界干扰影响大，使得实际应用中遇到许多困难“1 。 谐波法的问题是谐波含量较小，且在有间歇性电弧现象时不稳定。以下 我们对这些选线方法加以分析，来选择合适的选线方法。 2 3 1 零序电流比幅法 利用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 障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。这种原理在某一线路远远 长于其它线路( 即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时) 的情况 下较难满足选择性的要求。同时，当接地点过渡电阻较大时，电容电流 较小，装置可能发生拒动现象。该方法不适用于谐振接地电网。 辽宁：i ：程技术大学硕士论文1 0 2 3 2 零序电流相对相位法 零序电流是选择性漏电保护中使用的最重要的参数之。本节我们 研究发生单相接地故障后，零序电流的数学表达式，通过零序电流方向 原理实现故障支路的正确选线，并讨论电流参数随电网参数、漏电程度 的变化规律。需要指出，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，电网的线电压将不发生变化，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) ，如果系统中有零序回路，则在回路中就有零序电流流通。 中性点不接地配电网发生单相接地故障时零序等效电路如图2 2 所示。其中c n 为第e l 条线路的相对地等效电容，r 为接地过渡电阻。由 于线路相对地等效电阻值远大于相对地等效容抗值，在实际设计中不会 对工作过程造成重大影响，故可以忽略不计。故障相电源电压为u = u m s in ( ( i jt + 中) 当发生单相接地故障时，相当于图2 - 2 的零状态响应。 图2 2 中性点不接地配电网单相接地故障零序等效电路 f i g u r e2 - 2n e u t r o p o in tu n e a r t hs w i t c h n e to n ep h a s ee a r t h a c c id e n t z e r 00 r d e re q u iv a le n tc ir c u i t 根据克希荷夫电压定律，当t 0 时，电路中电压和电流的微分方程 分别为： u = u m s in ( t + 中) = r c * d u c d t + u c ( 2 2 ) i = c * d u c a t ( 2 3 ) in = c n d u c d t ( 2 4 ) 一蕊一 辽t 【：程技术大学硕+ 论文 1 1 其中c = c n( n = l ，2 ，n ) ，n 是线路的条数。解式( 2 2 ) 得： u c = u m ( 1 + u2 r2 c 2 ) s in ( t + c d ) 一r cc o s ( ut + c d ) + u m ( 1 十( i ) 2 r2 c2 ) ( i ) r c ( c o so s ino ) e “” = u m ( 1 + ( i ) 2 r2 c 2 ) 。5 s in ( ( i ) t + c d 一0 ) + u m ( 1 十u2 r2 c2 ) “i s in ( 0 一 c d ) e 。“ ( 2 5 ) 其中：0 = s in “ ( l ) r c ( 1 + 2 r2 c2 ) 。5 解式( 2 3 ) 得： i = c uu m ( 1 + u2 r2 c2 ) o5 c o s ( 6 0t + m 一0 ) + u m r c ( 1 + ( i ) 2 r 2 c2 ) 。5 s in ( c d 一0 ) e 1 “) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，第一项是流过接地导线中的零序基波电流，即稳态 分量：第2 项是流过接地导线中的零序暂态电流，即暂态分量；两项之 和是流过接地导线中的零序全电流。解式( 2 4 ) 得： in = c n 6 0u m ( 1 + 2 u c 2 ) 。5 c o s ( ( i ) t + 一0 ) + o m r c ( 1 + ( i ) 2 r 2 c2 ) 。5 ) s in ( 中一0 ) e 。“ ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，第l 项是流过第n 条线路的零序基波电流，即稳态 分量：第2 项是流过第1 1 条线路的零序暂态电流，即暂态分量；两项之 和是流过第n 条线路的零序全电流。发生单相接地故障时零序全电流的 特点是当配电网发生单相接地故障时，中、c 、c n 、r 有确定的数值，式 ( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 中的两项都是时间t 的函数。在单相接地初期， 零序暂态电流的大小与c d 、r 、t 有关，在t 4 r c 时，零序暂态电流衰 减到2 以下，可以认为只有零序基波电流当c d = o 时，无过渡过程， 只有零序基波电流。但是，在接地过程中，接地电阻r 不是固定不变的。 当r 变化时，又开始新的过渡过程1 。因此，在单相接地过程中，零序 暂态电流有可能时有时无，也可能一直存在。 比较式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) ，数学表达式系数c 和c n 不同，因此： 两个零序全电流波形相同。 两个零序全电流大小相差i in = c c n 倍，接地导线中零序全电 流最大。 若接地导线中零序全电流从线路流向母线，则非接地导线中零序 辽宁：i ! 程技术大学硕士论文 全电流从母线流向线路。 根据以上特征，可以利用零序全电流的大小和方向进行故障选线。 为了提高选线的准确率，微机选线装置在采集电流信号时必须注意以下 几点： 所有线路必须在同一周期内完成采样。 采样点数尽量多。 各线路对应采样点的采样时间相同。 采用集散式并行处理技术准确测量各采样点的量值。 利用零序电流来判断供电单元是否发生了漏电，同时，利用各支路 的零序电流与零序电压的相位关系来判断故障支路，而后动作，有选择 的切除故 漏电保护 当电 网中取出 路，最后 漏电保护 图2 障支路的电源，这种保护方案就称为基于零序电流方向原理的 案。 中某支路发生漏电故障或人身触电事故时，由采样电路从电 序电流信号，经滤波整形后，由比较处理芯片来判别故障支 动执行电路，切断故障支路的电源，从而实现了有选择性的 3 为发生单相漏电故障零序等效网络。 图2 3 单相漏电故障零序等效网络 f i g u r e2 3e q u iv s ln e t w o r k0 f0 n ep h a s e1e a k a g ea c c i d e n t 其中，r 和c 分别为线路l 1 、l 2 、l 3 和总馈电开关处线路的每项绝 方网零启 。 l o l o l o 辽宁：【= 程技术大学硕十论文 缘电阻和对地电容，用集中参数表示：r ，为漏电故障点过渡电阻，设故 障发生在电网a 相，并设漏电故障时电网的零序电压为u 。规定电流从 母线指向线路为正方向。则由图可得到流过非故障支路l l 、l 2 、总自动 馈电开关处线路首端的零序电流分别为 乩( 亲加瞩。 = ，0 f ，、 砜l - r 0 2 卢瞩：j = ，r m “m ：l ，k u 。b 肛一。峨。 而流过故障支路l ：。首端的零序电流则为 3 1 0 3 = 式中 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o ) - u ( 3 i + 毫+ i 3 邶地：屯) 叫吨一- 州。，( 2 - 1 1 ) ：一全电网一相对地电容之和， g ，= = g + g + c t + g l ? = i ? 、七i ? t 七i ? 、 观察式( 2 - 8 ) ( 2 11 ) 与图2 2 可知，流过故障支路l 3 首端的 零序电流分两部分：非故障支路绝缘电阻产生的有功电流之和一，其相 位与零序电压差l8 0 0 ：非故障支路零序电容电流之和一( 五。+ k ：+ 厶。) ， 相位滞后于零序电压9 0 0 。而流过非故障支路首端的零序电流也包括两 部分：本支路绝缘电阻产生的有功电流，与零序电压同相位；本支路对 地电容产生的容性电流，相位超前零序电压9 0 。由于故障支路和非故 障支路的零序无功电流分量相反，因此可利用此特点来实现选择性漏电 保护。该方法是基于故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相 反的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。此法 在故障点离互感器较远且线路很短时，零序电压、零序电流均较小会产 生“时针效应”，使相位判断困难而且受电流互感器不平衡电流、过渡电 阻大小、继电器工作死区及系统运行方式的影响，容易发生误判。并且 玑 砜 辽宁工程技术大学硕士论文 不能适应谐振接地时完全补偿、 弧不稳定的影响。 2 3 3 附加直流电源检测法 本设计通过附加直流电源原 的保护原理如图2 4 所示。漏电 测回路、信号取样回路、控制执 由于磁力起动器负荷侧线路 电流来讲，电动机的三相绕组相 直流检测回路只需要与电网的一 定子绕组对地的绝缘状况。 过补偿运行方式，检测可靠性受接地电 理检测漏电动作值。附加直流电源检测 闭锁保护单元由直流检测电源、直流检 行回路等几部分组成。 直接与异步电动机相连，对于直流检测 当于把三相电网连接在一起了。因此， 相相连接，即可检测三相电网和电动机 k m 图2 4 附加直流源检测原理图 f i g u f e2 - 4 d e t e c tp r in c i p lec he l f to fa p p e n d s o u r c e 在p m 处的直流检测信号为 吁等羞( 2 - 1 2 ) 式中 r ，。为电位器电阻，kq ： r ，为r ，r 。r 。的并联值，kq ： r 。为检测回路除电网对地绝缘电阻之外的所有电阻之和， kq 。 系统确定后，除r ，为定值，不随电网绝缘电阻的波动而变化。由 a b c 辽 j _ f 工程技术大学硕士论文 此可见，u 。会随r ，下降线性增长，当u s 大于门槛电压时，由中央处理 单元发出漏电闭锁信号，断开电动机起动控制回路，达到漏电闭锁目的。 由此可见当检测电压恒定时，该系统的漏电动作值是非常稳定的。 高压硅堆是为防止电动机的反电势串入检测电路而设计的，主回路 跳闸后电动机转子由于惯性继续旋转产生电动势，高压硅堆可防止该电 动势窜入检测回路损坏其它元器件。控制回路由单片机软件来闭锁磁力 起动器的起动，当检测到发生漏电后，置软件标志位，断开磁力起动器 的起动回路，使接触器无法合闸1 。从而完成漏电闭锁的护功能。 附加直流电压和电流的确定，应从以下三方面考虑。 1 电阻与外加测量电压之间的关系 电网电压等级不同，需要施加不同的直流电压刁能反映其真实的绝 缘状况。以6 k v 电网为例，其绝缘电阻与附加直流电压之间的测试数据 如表2 一l 所示，用这种方法测得的电网对地绝缘电阻称为直流电阻。而 采用交流方法测得的绝缘电阻则称为交流电阻。大量的实测数据表明， 绝缘的直流电阻和交流电阻差别很大，前者比后者大许多倍。由于人身 触电或单相接地的电流值主要取决于电网对地的交流阻抗大小，因此从 表中可看出随着附加直流电压的升高，所测的直流绝缘电阻也越接近实 际值。 表2 1 直流绝缘电阻r 与附加直流电压u 的变化关系 u ( v )2 03 65 28 2l2 0 17 7 5 2 3 5 r ( q ) l0 0 08 0 07 4 2 8 6 7 2 1 5 7 l5 2 24 8 9 5 2 检测回路的本安特性 ( 1 ) 合闸前，如电网存在漏电或单相接地故障，直流检测回路所产生的 电火花不应引起瓦斯和煤尘爆炸。 ( 2 ) 由于附加直流电源的存在，电网对地电容总是充满电的，在发生单 相接地或漏电故障时，放电火花能量应小于引起瓦斯或煤尘爆炸所需的 最小能量。 辽宁：l 程技术大学硕十论文 1 6 - 3 检测电压与人身安全的关系 电网停电后，工人可能进行电气设备的维修工作，如果直流检测电 压过高，一旦人身接触，便可能发生触电危险阳3 。因此，检测电压不易 过高。 本着以上几条原则，根据爆炸性环境电气设备“本质安全性电路和 电气设备”规程，有关矿用i 类电气设备对电容性电路的规定，电容量 c 和最小点燃电压u 曲线，可得1 5 “f 电容量对应的最小点燃电压为 10 0 v ，若安全系数按2 5 计算，所设计的直流工作电压为10 0 2 5 = 4 0v 。 利用三相调压器，测试7 5 u 。、u ，、i15 u 。时各点的电压值如表2 - 2 所示。 表2 2 不同电压下漏电信号的测试值 u 一( v )u 。( v ) u 。( v )u 。( v )u 。( v )0 。( v ) 巨 4 6 14 1 41 6 12 4 14 0 2 5 4 8 4 8 216 22 4 24 0 4 6 0 25 2 2l6 22 4 24 0 4 从上述表中的数据分析可知，当电网电压在7 5 u 、一il5 u 、内波动时， 直流检测电压4 0 v 比较稳定，所以漏电闭锁的动作值是稳定的。此外， 还要考虑到直流检测电流也不宜过大，当电网发生单相接地故障时，直 流检测回路电流为： ，= 告= 石4 0 面v = 0 9 1 埘a ( 2 - i 3 ) 式中r ，为附加直流检测系统内部回路电阻。由图2 5 可得， r 。= r ：+ r ，。= 4 3 6 kq ，所以接地电流仅为0 9 1m a ，满足本安回路的要求。 漏电闭锁动作电阻值是根据漏电动作值确定的，而漏电动作值的确 定是以保证人身触电的安全性为前提的。 在如图2 5 所示的电网中，假设：r 。= r 。= r 。= r ，根据安全规程规定： 我国煤矿井下人身触电安全电流值为3 0 m a 。在不考虑电网电容的情况 辽宁工程技术大学硕+ 论文 下，流过的人体的电流为 厶2 面3 u 石 式中，i n 为流过人体的电流，u 为电网相电压，r 为电网每相对地漏电 阻( 三相对称) ，r 为人体电阻，取1kq 。 o 图2 - 5 人身触电电流计算图 f i g u r e2 - 5c o u n tc h a r to fp e r s o ng e