漏电保护.doc

2 矿井低压电网的选择性漏电保护原理煤炭生产主要在井下进行，矿井电网大部分为电缆供电，环境恶劣，故障多，电缆线路经常发生单相漏电或单相接地故障。煤矿井下低压电网发生漏电故障，不但会导致人身触电事故，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路，由此引发的电弧会导致瓦斯、煤尘爆炸，甚至使电气雷管提前引爆。为确保人身安全，减少因漏电引起的瓦斯、煤尘爆炸的危险性，在井下低压电网中必须安装可靠的漏电或选择性漏电保护装置，进而提高井下的电气安全水平。选择性漏电保护装置与系统是漏电保护技术的发展趋势，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，缩短漏电停电时间，这对保证电网安全、可靠运行和提高劳动生产率显然极为有利。2.1 漏电保护原理分析漏电保护的主要目的是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斯煤尘。我国煤矿井下采区的低压供电系统如图2-7所示。一般为三级，即总自动馈电开关Q1，分支馈电开关Q2和磁力起动器Q3三级，因此其选择性漏电保护系统便可分为三级和两级两种，图中T为降压变压器。所谓三级选择性漏电保护系统，是指这三级开关均设有选择性漏电保护装置；而两级漏电保护系统则指这三级开关中的两级装设有选择性漏电保护装置，如总自动馈电开关和分支自动馈电开关两级，或总自动馈电开关和磁力起动器两级。目前一般采用将漏电保护装置设在总自动馈电开关Q1和分支馈电开关Q2两处，而磁力起动器Q3处一般仅设漏电闭锁保护，亦即采用两级选择性漏电保护系统。其中，总自动馈电开关处的漏电保护装置一般采用附加直流电源保护原理，分支自动馈电开关的漏电保护装置则采用零序功率方向原理。图2-7 井下低压供电系统图目前在总自动馈电开关处的漏电保护装置中，一般采用零序电抗器的方法来实现对漏电故障电流的补偿，以进一步减少人身触电电流和引爆瓦斯煤尘的可能性，其原理如图2-8所示。图2-8 附加直流电源漏电保护原理、各相对地电容、绝缘电阻；SK三相电抗器；LK零序电抗器；隔直电容；J动作继电器；k毫安表；外加直流电压。利用这种保护原理实现的漏电保护装置不具备选择性功能，电网中任一处漏电时该装置皆要无选择性地动作。此外，由于零序电抗器LK补偿了电网对地的电容电流，使现有基于零序功率方向原理的选择性漏电保护装置全部失效。为了解决这个问题，现场的做法通常有两种：一种是不使用选择性漏电保护装置，仅在总自动馈电开关中设置基于附加直流电源的漏电装置，缺点是发生漏电故障时造成全电网停电，扩大了停电范围；另一种方法则是放弃补偿接地故障电流用的零序电抗器，但当电网对地电容电流较大时，此方法将带来井下供电安全问题，实质是一种回避问题的方法。井下低压电网的特点是全部由电缆供电，由于井下环境潮湿，其电网对地绝缘电阻较低，即电网阻尼率较高。根据对我国井下低压电网绝缘参数的测量分析表明，井下低压电网交流绝缘电阻的分布范围为：=100k10k/相；电网对地分布电容的分布范围为：=0.1F1.0F/相。对于井下660V低压电网，由绝缘电阻和对地电容造成的接地故障电流有功分量、无功分量的变化范围分别如下mAmA2.2 分支馈电开关选择性漏电保护原理图2-11 单相漏电故障零序等效网络图2-11为图2-7所示电网无零序电抗器时，K2点发生单相漏电故障零序等效网络，故障仍发生在电网A相。根据图2-11可得到流过非故障支路L1、L2、总自动馈电开关处线路首端的零序电流分别为而流过故障支路L3首端的零序电流则为 (2-29)式中，。可见，非故障支路中的零序电流仍与有零序电抗器时的相同，但故障支路首端的零序电流仅为两部分：非故障支路绝缘电阻产生的有功电流之和，其相位与零序电压差1800，非故障支路零序电容电流之和，相位滞后于零序电压900。由于故障支路和非故障支路的零序无功电流分量方向相反，故可利用此特点来实现选择性漏电保护。2.2.1 故障分量无功功率漏电保护原理的选线判据仍设电网零序电流、零序电压的相位角分别为、，根据傅氏算法可得，令-，则有 (2-30)上述各式中，、，、分别为、的虚部和实部。将零序电流超前移相900，以基波零序电压为基准，将投影到与平行的平面上，构造下列漏电保护选线判据方程 (2-31)式中，、分别为、的模值，且有，。根据式（2-31）计算得到的值实际上是漏电故障分量中的无功功率，进一步化简式（2-32）可得 (2-32)根据式（2-30）可知，对于故障支路L3对非故障支路L1（其它非故障支路与此类似）式中，、分别为、的模值。显然，对应于故障支路总有，而对非故障支路则总有，且故障支路的值较非故障支路大得多。也即利用式（2-32）较好地取出了零序电流中的无功分量，从而可以利用算法模型式（2-32）准确、可靠地判断出故障支路。2.3 总自动馈电开关处漏电保护原理由于总自动馈电开关处的漏电保护装置负责全电网的漏电保护和总漏电后备保护作用，仍可采用附加直流电源的漏电保护原理。现有的此类漏电保护装置皆由模拟电路构成，为了便于实现漏电保护装置的智能化，并与分支开关中的选择性漏电保护原理相配合，需对漏电信号检测与取样回路进行有效的处理。2.3.1 有零序电抗器时的总漏电保护原理为了与2.2.2中带零序电流补偿电抗器时的分支线路选择性漏电保护原理相配合，改进后的总自动馈电开关中附加直流电源漏电保护原理，如图2-12所示。图中，为取样电阻，、为零序电压取样回路，为直流回路检测电流，其它参数的含义与前相同。图2-12 带零序电抗器时的附加直流电源漏电保护原理显然，附加直流电源的检测通道为：直流电源正端大地电网绝缘电阻三相电网三相电抗器SK零序电抗器LK直流电源负端。其检测电流可由下式求得 (2-33)式中，为三相电抗器每相线圈的直流电阻；为零序电抗器线圈的直流电阻；为接地电阻；，为三相电网对地总绝缘电阻；。式（2-33）中，仅为变量，故检测电流直接反映了电网的绝缘情况。取样电阻上的电压可表示为 (2-34)三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算 (2-35)电网正常运行时，根据式（2-35）可方便地实现对电网绝缘电阻的连续、在线监测；当人身触电或发生漏电故障，使达到装置动作设定值时，漏电保护装置迅速将电源切除。另外，即使电网的绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障现象检测出来，这是附加直流电源漏电保护原理的一大优点。利用附加直流电源原理实现的漏电保护装置不具备选择性功能，电网中任一处发生漏电故障时该装置皆要无选择性地动作。由于分支线路中可装设有选择性的漏电保护装置，故对总自动馈电开关而言，已经能满足漏电保护的要求。2.3.2 无零序电抗器时的总漏电保护原理为了与2.2.3中不带零序电流补偿电抗器时的分支线路选择性漏电保护原理相配合，改进后的总自动馈电开关中附加直流电源漏电保护原理，如图2-13所示。图中，为限流电阻，、仍为零序电压取样回路，其它参数的含义与前相同。图2-13 无零序电抗器时的附加直流电源漏电保护原理附加直流电源的检测通道为：直流电源正端大地电网绝缘电阻三相电网三相电抗器SK限流电阻直流电源负端。其检测电流为 (2-36)式中，。类似地，取样电阻上的电压、三相电网对地的总绝缘电阻可根据式（2-34）、（2-35）来进行计算得到，即显然，依据上述算法模型，仍然可以方便地实现电网正常运行时电网绝缘电阻的连续、在线监测，人身触电或发生漏电故障时完成漏电保护功能。2.4 漏电闭锁保护考虑到井下设备和人身的安全性，目前在井下低压电网的所有开关中都应设置有漏电闭锁保护功能。漏电闭锁一般采用附加直流的检测原理，并应注意检测回路的本安性能。QF为开关断路器，当开关停运时，常闭辅助触点QF1闭合，直流电源E通过R1、R2、D、QF1对电机绝缘r进行检测。开关闭合或电机起动后，QF1断开，漏电闭锁检测回路退出运行考虑到电机停止时存在的反电动势，需增加反电势吸收回路，如下图。2.5 可通信式智能选择性漏电保护系统由图2-7可知，我国煤矿井下的低压供电系统一般为三级。为保证漏电保护系统的选择性，上、下级漏电保护装置之间一般只能靠延时来实现动作的选择性，即上级漏电保护装置的动作时间应比下一级长一个时限阶段，也即时限级差原理；横向选择性则多采用零序功率方向类保护原理来实现，总自动馈电开关处的漏电保护装置一般采用附加直流电源的保护原理。上、下两级选择性漏电保护装置之间的动作时限级差约为200500ms。目前选择性漏电保护在我国井下低压电网的使用中误动、拒动现象时有发生，严重影响矿井的安全生产。同时由于上级选择性漏电保护装置动作存在延时，使靠近供电电源的选择性漏电保护装置的动作时间较长（如图2-7中K1点漏电时），在该保护范围内人身触电的危险性就较大。从而出现了漏电保护装置动作的选择性与人身触电的安全性之间的矛盾，或者说牺牲了一定的安全性才换来了选择性。随着信息技术和计算机网络的发展，微处理器和计算机技术引入低压电器，使低压电器具有了智能化的功能，并可以实现与中央控制计算机间的双向通讯。而从漏电保护的使用现状可看出，单一的或分立的漏电保护装置已不能适应矿井安全运行的要求。根据矿井低压电网情况，可通信式智能选择性漏电保护系统的组成结构如图2-14所示，采用两级选择性漏电保护系统的结构形式。其中，总自动馈电开关中设置基于附加直流电源原理的总漏电保护装置，实现总自动馈电开关所在线路段的漏电保护，并作为下级线路的后备漏电保护，以保证整个低压电网的安全供电；分支馈电开关处设置选择性漏电保护装置，以实现各分支开关间的横向选择性漏电保护。图2-14 可通信式漏电保护系统结构由图2-14可知，该选择性漏电保护系统为两级分布式结构，总自动馈电开关处的智能漏电保护装置（UGF）为主机，其设有两个RS485通信接口，除与从机即分支馈电开关处的智能漏电保护装置（DGF）通信外，还可通过另一个RS485通信接口与矿井安全监测系统相联，便于矿井地面调度系统实时地了解井下低压电网的绝缘变化和漏电情况。DGF下级漏电保护装置通过RS485构成现场总线，可以挂接127个保护装置，实际电网的分支出线数远小于这个数量（一般不大于10）；另外，总自动馈电开关与分支馈电开关间的距离一般不超过100m，故RS485的通信距离完全能满足要求。UGF装置完成对直流取样信号、零序电压的实时采集，电网正常运行时，根据式（2-35）实时显示电网的绝缘情况；而DGF装置则完成所在支路零序电流信号的实时采集。由于煤矿井下漏电保护的特殊性，各漏电保护装置不采用零序电压启动方式。因根据煤矿安全规程要求，漏电保护动作电阻值有固定要求，如对660V系统，规程要求动作电阻值为11k，对1140V系统则为22k。因此当电网绝缘电阻下降到动作值后，UGF装置立即将零序电压的虚部、实部采样计算值按广播方式下发给各个DGF装置，各DGF装置则根据式（2-26）（对应于有零序补偿电抗器系统）、式（2-32）（对应于无零序电抗器系统）判断出故障支路，并据此发出启动或闭锁出口继电器的动作信号。当然，若参照变电站综合自动化系统中常用的集中选线方法，即当电网发生漏电故障时，各DGF装置立即将零序电流采样值上传给UGF装置，再由UGF装置进行集中判断、选线，并可采用群体比幅、比相等方法判断出漏电故障支路。但这将增加UGF装置的计算负担，不利于快速漏电保护的实现。另外，算法模型式（2-26）、式（2-32）是根据零序电压、零序电流构成的故障分量有功功率、无功功率来实现的，因此只需设置较小的动作功率门槛值，配合各装置按动作电阻值启动，完全可以消除误动的可能性，满足选择性漏电保护的要求。该漏电保护系统的动作过程如下：对于图2-7所示的电网，当K1点发生漏电故障时，UGF装置接收到各DGF装置的闭锁信号后，UGF装置无延时地动作于跳闸；当分支出线的任一处发生漏电故障时（如图2-7所示电网中的K2或K3点），则各DGF装置根据式（2-26）、式（2-32）确定出故障支路后，无延时地动作于