煤矿漏电保护系统的设计

煤矿漏电保护系统的设计摘 要漏电保护是保证煤矿井下安全供电的三大保护之一，是防止人身触电的重要措施。有选择性的漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择地发出故障信号或切断故障支路电源，而非故障部分继续工作。从而减小故障停电范围，便于寻找漏电故障，缩短漏电停电时间，提高供电的的可靠性。本文主要对矿井漏电保护的五种保护原理进行了比较详细的介绍。并对五种漏电保护原理进行较为深刻的比较、分析和总结。分别阐述了它们各自的优缺点。并且运用五种原理之一的零序电流方向保护原理，设计一套井下有选择性的漏电保护系统，并对其运用MATLAB进行仿真。最后，对仿真出来的波形图也进行了必要的比较和分析。关键词：漏电保护；矿井电网；零序电流方向；Leakage protection system design of the coal mineABSTRACT：Leakage protection is to ensure coal mine safety of the power supply to protect one of the three is to prevent the person being electrocuted important measures. Selective leakage protection means that when the grid is leakage failure, to choose fault signal issued or cut off the power supply fault slip road, rather than some fault to work. Thus reducing interruption, easy to find fault leakage, leakage power outages shorten time and improve the reliability of electricity supply.This article of mine leakage protection of the five principles of the protection of a more detailed presentation. As well as the five principles of leakage protection for the more profound, analysis and summary. Expounded on their respective advantages and disadvantages. And use of one of the five tenets of the zero-sequence current direction of the protection of principle, Underground design a selective leakage protection system, and its use of MATLAB simulation. Finally, the simulation waveform map also the necessary comparison and analysis.Key words: Leakage Protection Underground Power Zero-sequence current direction目 录1绪论31.1课题研究的背景31.3课题研究的目的和意义51.4本文的主要研究目的和工作任务52.1 井下低压供电系统的基本特点62.1.1 变压器的运行方式62.1.2 矿井低压电网电压等级62.2 井下低压电网的漏电分析72.2.1 单相漏电分析73.1 对漏电保护的要求143.2 选择性漏电保护原理153.2.1 漏电保护的选择性153.2.2 附加直流电源的保护原理163.2.3 零序电压的保护原理193.2.5 零序电流的保护原理253.2.5.1 保护原理254 MATLAB仿真模型的建立及原理应用294.1.1 零流方向保护原理图294.1.2 MATLAB仿真图294.2 选择性漏电保护装置31参考文献361绪论1.1课题研究的背景漏电保护是保证煤矿井下安全供电的三大保护之一，是防止人身触电的重要措施。多年来，由于煤矿职工的不懈努力，井下电气事故，特别是人身触电事故，有显著减少。但是不可否认，事故仍然时有发生，应当引起我们的充分注意。我国的煤炭生产，现在主要还是在井下进行。煤矿井下的工作条件特殊，环境比较潮湿，相对湿度往往高达95%以上。为此，对其使用的电气设备和电缆的绝缘，必须提出较高的要求。尽管如此，运行中的电气设备及其供电电缆，仍然有发生漏电的危险。特别是工作的电缆，被砸或被挤压得机会较多，绝缘更容易损坏，漏电的可能性更大。漏电的后果，可能导致人身触电，瓦斯煤尘爆炸和电气雷管的先期爆发，此外，大量的漏电电流如果长期存在，还有可能使电气设备的绝缘进一步恶化，以致损坏，从而造成相间短路，电气火灾及其它危及矿井安全的严重事故。因此，必须采取切实可靠的漏电保护措施，及时将漏电故障切除，方能使上述隐患得以防止，保证供电安全。所以，对于漏电保护原理的研究和应用，显得尤为重要。1.2漏电保护原理的发展历史现状与发展趋势总的看来，矿井漏电保护技术的发展可以概括为3个阶段和2次飞跃。3个阶段是机电式半导体式和微机式。第1次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗方面；第2次飞跃是由半导体式到微机式，主要表现在数字化和智能化方面。显而易见 ，第2次飞跃尤为重要，它为矿井电网漏电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。从运行角度考虑，自然是要求漏电保护系统有选择性，但从安全考虑，选择性漏电保护系统又存在动作时间长触电的危险性增大的问题，因此，既要考虑漏电保护装置动作的选择性，又要满足人身触电的安全要求，还要适合我国现行的中性点不接地方式的特点。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，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线之间的矛盾。随着计算机技术的发展，人们逐渐将计算机技术引入漏电保护系统，从而构成可通信的具有快速选择性漏电保护系统，以实现快速无级差的漏电保护，确保人身安全。根据矿井低压电网情况，其可通信的智能快速选择性漏电保护系统应是目前发展趋势。1.3课题研究的目的和意义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。我国对漏电保护的研究是从煤矿井下低压电网的漏电保护开始的，至今已有四十余年的历史。四十年的实践证明，它对我国矿井安全供电发挥了巨大的作用。它已成为我国矿井安全供电的不可缺少的组成部分。正因为它在安全供电方面作用重大，因此，漏电保护已陆续在各行各业的供电网中安家落户。众所周知，由于近几年来矿难时有发生，党和政府对煤矿的安全生产尤为重视。如何能尽量减少矿井事故的发生。一个是人为因素，我们要规范操作规程，加强安全教育。再一个就是要看我们的技术研究人员，在井下安装的检漏继电器能否迅速跳闸，漏电保护装置能否正常的工作。我们要根据不同的矿井条件，运用不同的漏电保护原理。只有这样才能充分发挥各个漏电保护原理的优点，尽可能的降低煤矿事故的发生率。所以，对于研究技术人员来讲，对于学习、研究和比较它们各个漏电保护原理的优点和缺点，十分重要。煤矿安全生产是十分重要的，在我们解决好这个问题以后。我们也应考虑一下矿井的正常生产，不能由于漏电保护装置的跳闸，影响到整个矿井的正常生产。即我们要考虑，漏电保护的选择性。选用一种漏电保护原理，它既可以保证煤矿井下的安全，又可以有选择的跳闸。在一个支路有故障的情况下，只跳开这一条支路，不会影响到其它支路的正常生产。这样则可以尽可能的为煤矿企业创造经济效益。这也就是我们研究漏电保护真正的目的和意义所在。1.4本文的主要研究目的和工作任务 本论文的研究对象是井下中性点不接地的低压电网系统，研究重点主要放在发生单相漏电故障时，通过中性点不接地电网系统的漏电分析，研究不同原理的漏电保护机制，对比选择性，运用通过零序电流方向来作为选择性漏电保护的判据，并使用MATLAB进行仿真，验证其可行性。2 井下低压电网的漏电分析在电力系统中，当带点导体对大地的绝缘阻抗降低到一定程度，使经该阻抗流入大地的电流增大到一定程度，我们就说该导体发生了漏电故障，或者说该供电系统发生了漏电故障。2.1 井下低压供电系统的基本特点当电网发生漏电故障时，原来三相对称的运行状态就要发生变化，绝大部分情况下其对地的对称性遭到破坏，因而各相对地电压不再对称，并产生零序电压和零序电流。运用对称分量法、节点电压法及戴维南定理等理论，可以对井下低压660V供电系统发生漏电故障时的状态进行深入的定量分析，分析的结果将为设计完善可靠的漏电保护系统提供理论依据。同样的分析方法，也适用于中性点绝缘的低压380V、1140V和610KV高压电网。目前我国煤矿井下广泛使用的低压供电系统有以下特点：2.1.1 变压器的运行方式目前应用较广泛的煤矿井下低压电网中性点的接地方式有两种。中国、美国、德国等国家采用变压器中性点绝缘的运行方式，其最大的特点是比较安全，漏电电流小，但对保护装置的灵敏度要求较高；英国、印度和澳大利亚等英联邦成员国，大都采用变压器中性点经高电阻接地的运行方式，其特点是漏电电流较大，不利于安全，但对保护的灵敏度要求不高，因而保护装置的可靠性较高。这种接地方式发生漏电时的理论分析与结果都与中性点绝缘系统类似。一般工矿企业的地面电压，由于环境条件较好和要兼顾照明等原因，都采用中性点直接接地的运行方式。在中性点直接接地的电网中，若发生单相接地，便形成单相接地短路，短路电流很大，短路点将产生一个很大电弧，如果在井下，就足以引起瓦斯、煤尘爆炸。鉴于以上原因，我国煤矿安全规程第409条规定：井下配电变压器不得中性点直接接地，但专供架线电机车变流设备用的变压器或发电机不得直接向井下供电2.1.2 矿井低压电网电压等级其中660V是至今应用最广泛最普遍的电压，无论是炮采、普采、高档普采及综采都大量使用660V电网供电。380V在60年代以前是我国井下唯一的动力电压（低压）等级，但随着70年代机械化采煤的发展和用电设备单机容量的增大，380V电网已逐步被660V和1140V电网所替换，目前仅有一些地方煤矿和少数采用炮采工艺的国有煤矿使用。1140V电网重要用于综合机械化采煤机组，但全矿井下要实现统一的1140V电网供电还是有一定的困难的，而且其必要性也很有争议。2.2 井下低压电网的漏电分析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，电网的线电压都不会发生变化，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。考虑到井下低压电网与其各相对地的绝缘阻抗可以构成一个具有一个节点的网络，故应用节点电压法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之商。即：(2-1)式中节点电压；联到节点的各支路阻抗并联值（理解为节点内所有支路）； 节点内各支路的电动势；与各同支路的阻抗。2.2.1 单相漏电分析井下低压供电单元发生单相漏电的情况如图所示：图中，动力变压器T二次侧中性点不接地，为L1漏电的过度电阻，其变化范围约为011K，为各相对地绝缘电阻为各相对地电容，对于漏电回路，变压器，线路及大地的阻抗均为欧姆数量级以下,远小于R和容抗,可以忽略。正常时井下低压电网的电源中性点N与大地N之间只有三条支路并联，并分别由各相电动势与各相对地的零序阻抗Zzs组成，故构成一个具有一个节点的网络。发生单相漏电或两相漏电时，相当于在漏电相的零序阻抗上并联了过渡电阻Rtr，因而可以直接应用节点电压法求出中性点与大地的电位差Vzs,进而根据边界条件和回路电压定律求得其他故障参数的表达式。此时的等效电路如图2-3所示：N点为变压器二次侧中性点，N为大地，设在L1相发生单相漏电，过渡电阻为，显然当未发生单相接地时，电路相当于三相对地接有一阻抗Zzs的三相星型对称负载，根据公式（2-1）可得=0，也就是不产生零序电压，因此也不会产生零序电流，三相对地只有较小的各相泄露电流，并在地中达到平衡。需要说明的是电网每相对地零序阻抗Zzs的含义。由于井下低压电网为中性点绝缘系统，入地的漏电电流必须经过非故障相的绝缘电阻r2、r3和对地电容C1、C2构成回路，故Zzs是电网每相对地绝缘电阻r和电容电抗并联以后的阻抗值（电缆线路对地感抗很小忽略）。即：(2-2)式中=,。当发生单相漏电时，相当于在L1相的零序阻抗Zzs上又并联了一个过渡电阻,因而破坏了原本由Zzs组成的三相星型负载的对称性。根据公式（2-1），并令与Zzs的并联值为,故得零序电压如下： .(2-3)式中和相量算子。各相零序电流：.(2-4)又，根据回路电压定理得故障相的对地电压： .(2-5)同理，非故障相对地电压：.(2-6).(2-7)电网经入地的漏电电流： .(2-8)与各相对地电压的相量关系图如2-4所示：2.2.2 两相漏电分析等效电路如图2-5所示，分别在L1和L2两相发生了经过过渡电阻的漏电故障，相当于在L1、L2相的零序阻抗Zzs上并联了一个电阻，同样破坏了于本由三个Zzs所组成的三相星型负载的对称性。 利用节点电压法，可以求得两相漏电各故障参数的相量表达式如下：.(2-9).(2-10).(2-11).(2-12).(2-13)电网经入地的各相漏电电流，可据边界条件求得如下： .(2-14) .(2-15)电网总的入地漏电电流： .(2-16)比较两种漏电的分析结果可知：（1） 两种故障下零序电压与各对地电压的相量关系是完全相似的。（2） 在相同的电网参数和故障条件（）下，单相漏电的、有效值大于两相漏电。（3） 在中性点绝缘的电网中发生单相漏电、两相漏电等不对称漏电故障时，必产生具有一定大小和相位的、，而故障处的各相对地电压分别等于各相正常时的相电压与零序电压的相量和，电网线电压仍保持其对称性。（4） 当两相漏电过渡电阻0时，电网就发生两相接地短路，成为短路加漏电的复合型故障，所以分析过程稍复杂些；当单相漏电过渡电阻0时，由于系统中性点绝缘，虽被称之为单相接地短路，但完全不属于短路的范围，只是一种最严重的漏电故障。在实际的井下660V电网中，即使故障时0，也不大于1A，故常称之为单相接地。在前面分析中得出的公式中，令0即可得到单相接地时各参数的计算公式。在工程实际中，井下低压电网发生两相漏电的几率远不如单相漏电高，其故障程度（仅就漏电而言）也比单相漏电轻。单相漏电约占漏电总数的85%，而且有相当一部分（约为30%左右）单相漏电若不及时切除，将发展成更严重的短路故障，所以单相漏电是井下低压电网漏电故障的主流。至于三相漏电，它在井下低压电网中也有一定的发生率（约占10%），例如因电缆、电动机老化而产生的漏电等。三相漏电属于对称性漏电，并不产生零序电压和零序电流，相当于三相对地接一个星型连接的对称性负载，并不影响各相对地电压的对称性，故对这种漏电故障的分析非常简便。3选择性漏电保护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。对于井下中性点绝缘的供电单元，漏电保护有多种方式，如附加电源直流检测式，零序电压、电流式，旁路接地式等，他们的保护原理各不相同。在目前国内外技术水平条件下，单靠一种漏电保护已不能构成针对一供电单元的完善的漏电保护系统。3.1 对漏电保护的要求漏电的后果，可能导致人身触电、瓦斯煤尘爆炸和电雷管的先期爆发。长期存在的漏电电流，还可能使电气设备的绝缘进一步恶化，从而造成相间短路、电火灾和其他危及矿井安全的电气事故。为了防止漏电事故的发生，首先应当采取各种预防措施，除了正确地选择和使用电气设备、提高工作人员的电气安全素质外，还必须加强对低压电气设备，特别是电缆线路的运行、日常维护和预防性试验等工作，并保证在供电系统中消灭一切不合乎规程要求的电气接头，以确保电网对第具有正常的绝缘水平。当电网真的发生可能引起危险的漏电故障时，必须立即将故障电网（或支路）的电源切除，以防止事故范围的扩大，这就是设置漏电保护的必要性。漏电保护与过流保护、过电压保护等其他保护一样，都属于继电保护的范围，所以它应该满足全面、安全、可靠、动作灵敏及具有选择性等基本要求。由于井下低压电网，多是一台动力变压器为一单独的供电单元，所以，全面是指保护范围应覆盖整个供电单元，没有动作死区，无论该供电单元内何处发生什么类型的漏电故障(对称的和不对称的)，都能起到保护跳闸的作用。保护全面的另一要求是：无论电气设备或电网处于什么状态（例如开关合闸前和合闸后，或合闸过程中等），当发生漏电时应能起相应的保护作用，或者是切断电源，或者是闭锁送电开关，使之不能对已漏电的电气设备或线路送电。所谓安全性，从保护人员触电的角度出发就是要满足30。安秒值的规定，即用从最严重的触电事故发生到电源被切除的时间乘以流过人体的电流，其乘积应不超出30。因此，提高保护装置的动作速度和降低通过人身的电流对人身安全有重要作用。对于单相接地或其他集中性的漏电故障，从不引爆瓦斯煤尘的角度看，应保证在切断电源或发生间歇性漏电时，接地点的漏电火花能量小于0.28mJ。保护可靠有两个含义，一是保护装置（或系统）本身应有较高的可靠性，这要由系统的结构、保护单元的简单程度及元件质量、制造装配工艺等来保证；二是保护性能要可靠，即当本供电单元内发生漏电故障时，它一定动作（不拒动），而当本供电单元外发生任何漏电故障或其内发生非漏电故障时，它一定不动作 （不误动）。动作灵敏性是指保护装置对故障的反应能力，要求对于最轻的漏电故障，保护装置也能可靠动作，因此，保护装置必须对临界漏电故障同样具有较强的反应能力。选择性是任何保护系统的一个重要参数，它要求在供电单元中只切除故障部分的电源，而不切除非故障部分的电源。对于漏电保护系统来说，它的要求是：在放射式系统中只切除漏电支路，其余支路均能正常供电；在干线式系统中，当支路漏电则切断支路电源，当干线漏电则切除该干线的电源；在混合式供电系统中可根据上述原则视故障点的不同而切除相应的线路。选择性的目的就是将故障时的停电范围尽可能减小。3.2 选择性漏电保护原理3.2.1 漏电保护的选择性漏电保护的选择性有两个方面：3.2.1.1 横向选择性横向选择性是值漏电保护系统仅切断漏电故障所在支路，并保证非漏电故障所在支路的正常供电。如图（3-1）在A、B、C中都装有漏电保护装置。当K1点发生漏电时，漏电保护系统中只有C4磁力起动器或B2分支馈电开关中的选择性漏电保护器动作，使C4磁力起动器切断K1点漏电故障所在的支路，而其他装置均不动作。3.2.1.2 纵向选择性纵向选择性是指漏电保护系统仅切断漏电故障所在段的线路，并保证非漏电故障所在段继续供电。当K2点发生漏电时，哪么只有C4磁力起动器中的选择性漏电保护器会动作，使C4磁力起动器切除漏电点，而B2分支馈电开关中的选择性漏电保护器则不动作。这样可以保证B2分支馈电开关继续向C3磁力起动器控制的支路供电。如 K1点发生漏电故障，则只有B2分支馈电开关中的漏电保护器动作，与A总自动馈电开关配合的漏电保护装置不应动作 ，从而保证A总馈电开关继续向B1分支馈电开关支路供电。目前，漏电保护的纵向选择性靠时间延时来配合，即由负荷端向电源端，各级漏电保护装置逐级延时，这样，当漏电故障发生在靠近负荷侧时，由于靠近负荷端的漏电保护器动作速度快而首先动作，并使相应开关切断漏电故障所在支路的所在端，而靠近电源端的漏电保护器带有的延时，还没有来得及动作，待漏电故障切除后，它又返回而不动作，从而达到纵向选择性的目的。横向选择性原理主要有三种：（1） 零序电流原理（2） 零序功率方向原理（3） 谐波电流方向原理由于井下低压电网的单相漏电电流并不大，对于660V电网来说相时，单相金属接地电流只有385mA，如发生人身触电或是经过过渡电阻接地时，漏电电流就更小。并且，井下低压电网的零序电流中，谐波分量也不很高，因此，井下低压电网一般不采用谐波电流方向原理。而单一采用零序电流式漏电保护，动作电阻值不固定，不能保证对称性漏电故障及不能补偿电容电流。选择性漏电保护装置一般设在总馈电开关和分支馈电开关两处，而磁力起动器处一般只设漏电闭锁保护，即采用二级选择性漏电保护系统。为保证选择性，上、下级漏电装置之间通过延时来实现动作的选择性，横向选择性多采用零序功率方向保护原理来实现，但总自动馈线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。3.2.2 附加直流电源的保护原理3.2.2.1 保护原理图 3-2 附加直流电源的保护原理图a直流电源加在人为中性点与地之间；b直流电源在变压器中性点与地之间 无论直流电源是通过三相电抗器组成的人为中性点（图3-2a）或者变压器的中性点（图3-2b）,施加在三相电网与地之间，都会有电流I由正极流出，入“地”后，经绝缘电阻、和进入三相电网，再由三相电抗相圈（或三相电抗器）SK（对于图3-2b,为变压器绕组），零序电抗线圈（或零序电抗器）LK，千欧表K和直流继电器J，返回负极。对于稳定的直流电流，电容器和电网对地电容,和相当与开路，不会有电流流过。此时的直流I可由下式求得：（3-1）式中 直流检测电源电压； 三相电抗线圈每相线圈的直流电阻； 零序电抗线圈的直流电阻； 千欧表的电阻； 直流继电器线圈的电阻； 接地电阻； 三相电网各相对地的绝缘电阻、和并联后的总电阻，亦即 对于直流回路来讲，相当于三相电网每相对地的绝缘电阻并联。若一相绝缘电阻降低，其余两相为无限大，则=;若A，B两相绝缘电阻同时降低，且= =r，而其余一相为无限大，则=r/2;若三相绝缘电网同时下降，且= = =r,则=r/3。 在式（3-1）中，除很小忽略以外，和均为定值。若令 为检漏继电器的内阻，则该式变为：.（3-2）当U和一定时，直流继电器J和千欧表k中的电流值，将随值变化。在直流继电器选定以后，动作电流值是以知的。因此，当绝缘电阻值下降到一定程度或电网发生漏电故障时，电流I将大于或等于继电器的动作电流值，继电器便会立即动作。其常开或常闭触点，将接通自动馈电开关的分励脱扣线圈，或断开其无压释放线圈，使自动馈电开关跳闸，达到漏电保护的目的。这就是附加直流电源的保护原理。流继电器是悬挂式的，当其悬挂位置不正确，偏离垂直状态，必然要影响动作电流值；此外在运行中如果继电器受到冲击或震动等，也都可能使其不动作电流值发生改变。总之，由于直流继电器直接串联在直流检测回路之中，其机，电特性等的变化，必然要影响整个检漏继电器的动作电阻值。结果，使其动作电阻值的分散性较大，准确性较差。3.2.2.2选择性问题采用附加直流电源进行工作的检漏继电器，存在动作没有选择性的问题，因为在整个供电电网的任何地方发生了漏电故障，直流检测电流都可能形成通路，使检漏继电器跳闸。因此，没有必要在同一电网中同时装设两台以上的检漏继电器。即使装了，一旦漏电，它们也必然会一起动作，不可能有选择性。3.2.3 零序电压的保护原理3.2.3.1 保护原理当三相电网对地的阻抗不平衡时，尽管电源电压对称，也会使三相电网的对地电压不对称。这主要是由于三相电网对地出现了零序电压的大小，来反映三相电网对地阻抗的不平衡程度，亦即了解各相对地绝缘损坏的情况，这就是零序电压的保护原理。在具体做法上，又有下列几种保护方式：(1) 反映三相电网对地电压不平衡性的绝缘监视装置在低压电网中，有时利用三个信号灯（见图3-4a）或三个电压表（见图3-4b）直接反映三相对地电压的不平衡性。固然，用三个信号灯的明亮程度，来反映三相电网对地电压的大小是可以的，但它不如三个电压表分别指示三相电网的对地电压来的精确。可是，因其设备简单，使用方便，特别是对于直接接地故障，具有很好的分辨能力，因此，三个信号灯的接线方式，仍然可以作为一种绝缘监视装置。上述两种反映不平衡电压的绝缘监视装置，不仅能反映电网对地阻抗的不平衡状态，而且可以指出哪一相发生了接地故障，便于判断故障相别，是其优点。这对于地面的架空电网是很有用的。但对于井下电缆电网，则无此必要。为了保证安全，信号灯和电压表的内阻都是要求越高越好。因此，信号灯最好是采用氖灯，并且串联以大的限流电阻R（见图3-4c）(2) 反映零序电压的绝缘监视装置由于矿井中没有必要反映故障相别，故可进一步简化电路结构，只使用一个氖灯，并将其连接在由三个大电阻R组成的人为中性点与地之间（见图3-5a），这才是真正反映零序电压大小的绝缘监视装置。在实践中，人们甚至只在一小段橡套电缆外面包一层金属套，并在该套与地之间接入一氖灯（3-5b）,也可以同样起着绝缘监视作用。此种方法更为简单，而且在瓦斯矿井中也可以使用。上述种种绝缘监视装置，只能以信号的形式反映出来，不能作用于跳闸，因此，只能在有人值班的地方使用。(3) 反映零序电压的漏电保护装置为了作用于跳闸，人们常在由电阻R（或三相电抗器）组成的人为中性点与地之间，接入继电器J（分别见图3-6 a和b）。在继电器选定以后，它的动作电压值（或电流值）便是定值。当漏电故障发生以后，加于继电器上的零序电压值达到或超过继电器的动作电压，它便会动作，使开关跳闸。值得指出，由于电阻R的存在，零序电流流过它，必然会产生零序电压降，因此，作用于继电器J上的零序电压，并不是电网的实际零序电压。此时的值为：显然，R值越大，值越小。为了使值增大，最好采用由零序阻抗较小的三相三柱式电抗器SK组成人为中性点，其零序电压降就会变得较小（见图3-6b）。不过这将使由此回路入地的零序电流值增大，对安全不利。因此，有时还不得不在人为中性点与地之间接入较大的限流电阻。由于电流受到限制，继电器只好经过放大器以后，才能正常工作。其原理图如图3-6c所示。3.2.4.1零序电压的取出方式(1) 由变压器中性点与地之间取出（见图3-7a）；(2) 由人为中性点与地之间取出（见图3-7b）;(3) 由电压互感器二次侧开口三角形中取出（见图3-7c）；由变压器中性点取出零序电压的方式是最简单的一种，但它只能适用于变压器中性点有引出端子的情况。对于变压器中性点禁止接地的供电系统，此种方式不便使用，只好采取第二种方式。其实，这第二种方式与第一种方式的工作原理完全是一样的。它们之所以采用电阻联接方式，除此比较简单以外，就是所取出的零序电压信号与实际的零序电压之间只有大小变化，而无相位差别。图3-7 零序电压的取出方式3.2.4.2零序电压保护装置在使用中存在的几个问题( 1）动作电阻值不固定零序电压保护装置反映的是零序电压的大小，只要零序电压达到某个给定的数值，该保护装置便会动作。可是，对于三相电网来讲，各种不同的对地阻抗值，都可以反映出相同的零序电压。因此，同一个零序电压保护装置，其动作电阻可能有许多不同的数值。（3-3）式中 R单相漏电电阻只要保持某一比例关系，值总是会一样的。为了使分析问题简单起见，我们先不考虑电网的对地电容，于是，令，上式变成为：（3-4）其绝对值为： （3-5）显然，在一定的情况下，不同的r值，便有许多的R值与之一一对应，亦即电网对地将会有许多组的绝缘阻抗数值，都能使零序电压保护装置动作。也就是说，单相漏电的动作电阻值R不是固定的，而是随绝缘电阻值r的变化而变化。不仅单相漏电如此，两相漏电的情况也是这样。在考虑电网对地存在电容的情况下，上述结论也是正确的，只是此时的单相漏电和两相漏电动作电阻值不仅与绝缘电阻值r有关，而且与电容值也有关系，也就是说，电网对地的电容值改变了，动作电阻值也随之变化。不仅如此，随着电容值的增大，零序电压值便逐渐减小，零序电压保护装置的动作电阻值也就会降低，灵敏度下降。从式（3-5）还可以看出，当电网电容较小而绝缘电阻值r又较大时，零序电压保护装置的单相动作电阻值R便可能很大，这将给电网的正常运行带来一定困难，也就是说，在电网的绝缘损坏并不十分严重的情况下，保护装置却已跳闸了。总起来讲，零序电压保护装置实际上反映的是电网对地绝缘阻抗的相对不平衡情况，而不是绝对的数值。(1) 三相电网对地阻抗对称下降不会动作由于三相电网的对地阻抗对称下降，甚至为零，也不会产生零序电压，自然零序电压保护装置也就不会动作。因此，这样的绝缘监视装置或漏电保护装置，不能保证电网对地所必须绝缘水平，安全性是不可靠的。(2) 动作无选择性在同一个电网中使用多台零序电压保护装置，而且分别接地，就构成了所谓的多点接地系统。尽管使用多台，但各台所反映的零序电压却是一样的。因此，一旦发生漏电或接地故障，所有这些保护装置都将动作，自然也就不会有选择性。不仅如此，每接入一台零序电压保护装置，电网对地的阻抗值就要降低一些，接入的台数越多，阻抗就越低，结果，漏电动作电阻值也要随之降低。因此，即使是同一电网，接入的零序电压保护装置的台数不同，动作电阻值也就不一样。台数越多，动作电阻值越小。(3) 只能在变压器中性点非直接接地的供电系统中使用如前所述，零序电压即可以由变压器中性点或人为中性点取出，也可以由三相电压互感器的二次侧取出，其先决条件必须是变压器中性点非直接接地。如果变压器中性点直接接地，则中性点的对地电压始终为零，零序电压保护装置便无法工作。因此，它只能使用在变压器中性点非直接接地的供电系统中。3.2.5 零序电流的保护原理3.2.5.1 保护原理如上所述，在三相电网中，如果发生了非对称的三相漏电故障，必然要产生零序电压。有了零序电压以后，如果又有零序电流回路，则将出现零序电流。该电流可以用零序电流互感器或零序电流滤序器反映出来，并加以利用，使继电器动作，这就是零序电流保护原理。图3-8中所示的就是一种简单的零序电流保护装置原理图。图中所示的变压器中性点是不接地的，零序电流通路由电网对地的绝缘电阻r和电容C构成。当单相接地故障发生时，在零序电流互感器LLH的一次侧中流过的是三倍零序电流3 ，在它的二次侧绕组中便感应电势，然后，经过整流管D整流后，便可以使灵敏的直接继电器J动作，这就是零序电流保护原理。3.2.6 零序电流方向保护原理在一相漏电或接地时，各个分支线路中的零序电流不仅大小相同，而且方向也不一样。对于故障线路，零序电流是由线路流向母线的，而非故障线路，则是由母线流向线路。如果按照一般的规定，由母线流向线路的零序电流为正，那么，由线路流向母线的零序电流便为负。于是，我们可以利用零序电流的方向不同来区分故障线路和非故障线路，达到选择性保护的目的，这就是零序电流方向保护原理。以此原理做成的漏电保护装置，叫做零序电流方向保护装置，其外部接线如图3-10b所示。图中LFJ为零序电流方向保护原理，LLH零序电流互感器；R电阻，由它们组成人为中性点，以提供零序电压信号。 由于各分支线路中的零序电流为： 因此，它们都是电容性的，超前于零序电压的相位角不到，而且大小和相位也可能不等，如图3-11a所示。但是，当时，上述各式将变为： 显然，这些电流的相位都相同，超前于，其相量示于图3-11b中。若假定故障线路的零序电流为，并且也是由母线流向线路，那么，它必然是非故障线路零序电流之和，而相位相反，即： 于是，故障线路的零序电流便滞后（见图3-11b）。如果按照一般规定，所有零序电流互感器的始端都接母线，那么在忽略零序电流互感器和零序电压互感器的角误差情况下，非故障线路的二次电流和仍然超前于二次电压，而故障线路的二次电流则仍滞后于，其相量图示于图3-11c中在设计零序电流保护装置时，通常都是将零序电流互感器二次侧输出的电流信号和零序电压互感器二次侧输出的电压信号，同时送给零序电流方向保护装置，并以零序电压信号为基准进行相位比较。对于具体的保护装置来讲，比较相位的方法很多，一般都将零序电压的相位向前移一定角度，同时，所有的零序电流互感器的二次输出端子全部反接，即始端接到保护装置的终端，而终端接到保护装置的始端，让保护装置中的零序电流全部反相。这样，故障线路中的零序电流虽然由线路流向母线，然而在保护装置中零序电流和零序电压却正好同相位，故能动作。而非故障线路中的零序电流和零序电压的相位恰恰相反，却不能使保护装置动作。以这样的方法进行相位比较，就能够准确地判断出故障线路和非故障线路，达到选择性漏电保护的目的。4 MATLAB仿真模型的建立及原理应用4.1 MATLAB仿真4.1.1 零流方向保护原理图4.1.2 MATLAB仿真图图4-2 零序电流方向原理MATLAB仿真图4.2 选择性漏电保护装置选择性漏电保护装置是指保护装置动作时仅将发生漏电故障线路的电源切断，保证系统其余部分正常工作。一个供电系统漏电保护的选择性包括两层含义：一是上下级漏电保护的纵向选择性，一般采用漏电保护动作时限级差来实现，一般上一级漏电保护比下一级漏电保护的动作时限大一个时限阶段；二是同一级各配出线路漏电保护之间的横向选择性，一般可采用零序电流保护和零序功率方向保护原理实现。本文采用零序电流方向保护原理来实现，重点研究漏电保护的横向选择性。如XL-型矿用选择性漏电保护装置。它为两级选择性漏电保护装置，采用组件式结构，在馈电开关中加装KXL-DW组件，在总馈电开关的JY82型检漏继电器中加装KXL-JY组件即可形成总馈电开关和分支馈电开关两级选择性漏电保护装置。选择性漏电保护由安装在各分支馈电开关中的KXL-DW分检组件实现。它由电源变压器T1、T2、零序电流互感器CT、信号板XHB、选漏板XLB，继电器板JQB及脱扣线圈YA等组成。采用零序电流方向原理判断故障支路。图4-5中R1、R2、R3、R4组成人为中性点，取得零序电压信号，经C1、R5组成的移相电路移相后送入IC11、R8、R9组成的整形电路，将正弦波变换成方波。零序电流信号由零序电流互感器CT取得，此信号送入由IC12、R12、R13组成的整形电路中，将正弦波转换成方波。两方波送入由V7、R15、R16、V8、R17、R18、C5组成的积分电路，进行比相，如零序电流方波由故障线路的零序电流产生，则此两方波满足设定条件，C5充电，UC5升高，经IC13、R21、R22组成的幅度鉴别电路进行鉴别，如满足幅度要求则IC13送出一脉冲信号。此脉冲信号送入由IC14、C6、R23、C7、R26、V14、V15、R31、R32组成的单稳电路，展宽到2001000ms的脉冲方波经与门V19、V10的V19+端，V19截止。同时零序电压经R1、R2、R3的中性点取得直流信号（交流经C9旁路）送入由IC22、R19、R20组成的幅值鉴别电路进行鉴别，如电位高于给定值，则IC22输出高电平，与门V10截止，VT由15V+R29VTbe0V取得基极电流而导通，继电器1K有电动作，接点1K1闭合，脱扣线圈YA有电，QA（DW）开关跳闸，故障线路切除。4.2.1旁直零式低压选择性漏电保护系统方案1）系统组成欲对井下低压供电单元设置具有全面、安全、可靠及有选择性的漏电保护系统，要考虑树种漏电保护方式配合使用，以吸取各种保护方式的优点，如直流检测式的全面性旁路接地式的安全性、零序功率方向保护式的选择性等，并使之有机的结合起来，才能获得理想的保护效果。针对列出的井下低压供电单元电气模型，旁直零式选择性漏电保护系统的组成与保护设置如图所示。该系统设置了一下五种保护单元或插件；G附加三相接地电容器组PL 旁路接地式漏电继电器JY直流检测式漏电保护插件UI零序功率方向式漏电保护插件JB直流检测式漏电闭锁插件（1）附加三相接地电容器一组。附加三相接地电容器组是零序功率方向式选择性漏电保护所需求的，若不设置附加电容器组，则当供电单元只剩下一条支路运行时，方向保护插件将不起作用。该电容器组每组取值为0.20.25uf，电容器耐压值应大于750V，它装设于总开关1DW内，其星行点连于接地网。（2）旁路接地时漏电继电器一台。旁路接地亦接地亦叫做强制接地，主要作用是保证系统的安全性，是其在任何情况下人身触电的动作安秒值都不超出30mAs的规定并显著降低单相漏电处入地的电流，当供电单元中任何地方发生单相漏电或者人身触电时旁路接地式继电器快速动作，使故障相在总开关处可靠接地漏电电流绝大部分在总开关处经接地网入地的电流。当供电单元任何地方发生单相漏电或者人身触电时，旁路接地式继电器，使故障相在总开关处可靠接地，漏电电流绝大部分在总开关处经接地网入地，而故障点或者人身触电的电流则变得很小，故此漏电跳闸时间允许延长。正是因为设置了旁路接地保护，才使得靠近延迟的纵向选择性得以实现，而不影响系统的安全性，并对于供电单元的馈电开关和磁力启动器的跳闸速度无过高要求，从而有利于设备的技术改造。 (3)直流检测试漏电保护插件一块。该插件根据漏电保护设计理论，但要取消电容电流补偿电路，并曾设延时电路，令动作成分启动器和跳闸两步，延时1.22S，既一旦来弥补方向试漏电保护的动作死区。此时，动作不延迟，以提高安全性。(4)零序功率方向试漏电保护插件若干。若这种插件根据方向保护的基本原理设计，但一般采用零序电压、电流的绝对值比较做出口，以利于系统的配合零压零流的需要。零序零流启动、零序维持的含义是：保护插件启动需要零序有一定幅值的零序电压即可。在2DW5DW、1QC10QC中应各装设一块方向试漏电保护插件、其漏电启动时间20ms，但跳闸指令的发出有不同的延迟：1QC10QC为0.30.5s,5DW为0.61.0s,2DW4DW为0.91.5s,5DW为0.61.0s，2DW4DW为0.91.5s。这样既能保证任何开关的跳闸都在旁路接地继电器动作之后，又能满足系统的纵、横向均有选择性的要求，不同的延时性能治需将该插件的个别元件参数加以 改变就可以满足。0.3、0.6、0.9、s延时序列适用于由真空型馈电电开关及磁力矩启动器所组成的宫殿系统，0.5、1.0、1.5S延时序列用于老式开关及启动器所组成的供电系统。（5）直流检测式漏电闭锁插件若干。该插件的电路设计比较简单，最好的玉零序功率方向是保护合为一个插件，这样的元件可以共用，并能减少插件间的连接的总体积。当开关与起动器合闸前负荷侧有漏电故障存在时，它的出口继电器闭锁各控制的馈电开关与磁力矩启动器，使之合不上闸。低压总开关由于分、合闸操作很少，而且控制保护的线路极短，故不必设置漏电电闭单元。2）保护原理及配合该漏电保护系统可参考上图，旁直零式选择性漏电保护的性能比较完善，漏电跳闸对于供电单元来说，纵向和横向都有选择性；各种情况下的漏电故障均满足30MA的要求，是人身触电电流小于10MA，并能使消除电后电动机反电势和电网电容放电对人身及矿井的危害，具有较高的安全性；由于在开关处设置了直流检测式漏电保护插件，因而各级开关、启动器的方向试漏电保护至少获得一级后备保护，并使得整个漏电保护系统消除了动作死区。5 总结采用附加直流电源保护原理的漏电保护系统，检漏继电器动作没有选择性，因为在整个供电电网的任何地方发生了漏电故障，直流检测电流都可能形成通路，使继电器跳闸。三个整流管的保护原理具有附加直流电源的保护原理一样的保护特性，存在动作无选择性的问题。但是它具有较高的直流电压，能够较好地反映电网的真实绝缘水平。由零序电