蔣軍 JIANG Jun

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮南 232001）

0 引言

選擇性漏電保護(hù)是是煤礦井下供電的三大保護(hù)之一，也是防止人身觸電事故的重要措施。在煤礦井下高壓線路的漏電保護(hù)常選用選擇性漏電保護(hù)，指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生了漏電故障時(shí)，可以只對(duì)故障支路進(jìn)行跳閘，而其他非故障支路工作正常不受影響。這樣可以有效的把停電范圍控制在一條線路之內(nèi)，便于對(duì)漏電故障進(jìn)行的查找，滿足保護(hù)的可靠性與選擇性。隨著煤礦的開(kāi)采距離加長(zhǎng)，漏電電容電流不斷加大，多數(shù)礦井系統(tǒng)采用了中性點(diǎn)經(jīng)預(yù)調(diào)或者隨調(diào)式消弧線圈接地方式，由于其補(bǔ)償作用，對(duì)選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生了一定的影響，造成錯(cuò)選或誤選的發(fā)生。因此，首先要研究漏電時(shí)的電氣特征，并根據(jù)這些特征量進(jìn)行漏電保護(hù)的設(shè)計(jì)。

1 煤礦井下電網(wǎng)漏電故障分析

我國(guó)煤礦井下供電多采用了中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)經(jīng)預(yù)調(diào)式及隨調(diào)式消弧線圈接地運(yùn)行方式，在一定程度上這種接地方式可以減小漏電電流保護(hù)人身安全。但是由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，漏電故障時(shí)，零序電流與中性點(diǎn)電阻接地或不接地方式相比，電流明顯減小因此對(duì)漏電的判斷或者選線都有一定的影響。為了更好的完成漏電保護(hù)功能，要先對(duì)漏電過(guò)程的各參數(shù)變化進(jìn)行分類(lèi)分析。

圖1為我國(guó)煤礦高壓多支路輻射式供電系統(tǒng)，我們假設(shè)它由L1、L2、L3這三條支路構(gòu)成，而LH1、LH2、LH3為零序電流互感器安裝在各條支路上。忽略系統(tǒng)的絕緣電阻，我們假設(shè)每條線路三相對(duì)地電容均相等，分別用C1、C2、C3表示。

為分析方便，把中性點(diǎn)不同接地方式均在圖1中表示，這里L(fēng)是消弧線圈的補(bǔ)償電感，RN是消弧線圈并聯(lián)電阻。為零序電壓，、表示支路1，2（非故障）的電容電流，表示為故障線路零序電流始端測(cè)量值，當(dāng)RN=∞且L=∞時(shí)，表示中性點(diǎn)不接地；當(dāng)RN=∞且L≠∞時(shí)，表示中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地；當(dāng)RN≠∞且L≠∞時(shí)，表示中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地；當(dāng)Rd≠0，表示漏電故障經(jīng)過(guò)渡電阻；Rd=0，表示金屬性接地。這里假設(shè)在L3支路A相發(fā)生（單相）漏電故障。

圖1 接地方式及零序電流圖

1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相漏電分析

當(dāng)線路L3的A相發(fā)生漏電故障時(shí)，接地電流的分布及零序等效相量如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)零序電流圖

式中：CΣ為全系統(tǒng)中每一相對(duì)地電容之和，CΣ=C1+C2+C3；

總結(jié)以上分析結(jié)果，可得出此時(shí)故障特點(diǎn)如下：

①當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生漏電時(shí)，各支路均有零序電壓出現(xiàn)；

②所有非故障支路流過(guò)的零序電流與各自支路上電容電流相等，方向?yàn)閺哪妇€到線路，超前零序電壓相位90°；

③而故障線路的零序電流值較大，且與非故障支路相反方向，為非故障線路容性電容電流的和。在相位上滯后零序電壓90°。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)預(yù)調(diào)式消弧線圈系統(tǒng)單相漏電分析

在中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)式消弧線圈接地系統(tǒng)中，若系統(tǒng)發(fā)生漏電，其零序等效相量關(guān)系如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)預(yù)調(diào)式消弧線圈接地系統(tǒng)零序電流圖

①對(duì)于沒(méi)有發(fā)生故障的支路，其零序電流的特點(diǎn)與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相比沒(méi)有發(fā)生變化；

1.3 中性點(diǎn)經(jīng)隨調(diào)式消弧線圈接地系統(tǒng)單相漏電分析

此時(shí)，仍以圖3為我們的研究對(duì)象，故障發(fā)生時(shí)，零序相量如圖4所示。

圖4 中性點(diǎn)經(jīng)隨調(diào)式消弧線圈系統(tǒng)零序電流圖

①對(duì)于非故障線路，零序電流的特點(diǎn)仍與前兩種情況下相同；

2 現(xiàn)有選擇性漏電保護(hù)存在的問(wèn)題

現(xiàn)有的很多選擇性漏電保護(hù)策略，例如：首半波法、暫態(tài)電流方向法、零序電流的幅值比較法、負(fù)序電流法等多是對(duì)漏電故障的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)的參量單獨(dú)分析和判斷的，在煤礦井下復(fù)雜多變的供電環(huán)境下，較容易出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)。

由于在高壓防爆開(kāi)關(guān)保護(hù)器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)群體比幅、比向，在沒(méi)有另配故障選線裝置的情況下，僅依靠單一方法很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的選擇性漏電保護(hù)。有些方法也因?yàn)橛布l件的限制而不能很好的實(shí)現(xiàn)。受接地方式的影響要建立起一個(gè)統(tǒng)一的選擇性漏電保護(hù)方法一直是個(gè)不易解決的問(wèn)題。多數(shù)情況要受到實(shí)際條件的限制，不能完全保證保護(hù)的不誤動(dòng)和不拒動(dòng)。因此，應(yīng)當(dāng)結(jié)合多種保護(hù)方法各自優(yōu)點(diǎn)和使用場(chǎng)合，并結(jié)合現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)漏電保護(hù)進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)一的判定方法，使其可以作為不受接地方式與消弧線圈補(bǔ)償方式影響的選擇性漏電保護(hù)。

3 基于零序電流有功無(wú)功分量的選擇性漏電保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)零序電流的有功分量法與零序電流的無(wú)功分量法在適用范圍以及工作方式方面有著很強(qiáng)的互補(bǔ)性。據(jù)此，可以綜合利用兩者的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一種能夠適應(yīng)不同接線方式與消弧線圈補(bǔ)償方式的選擇性漏電保護(hù)。

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并（串）電阻接地方式的供電系統(tǒng)，由于在線路中存在對(duì)地電導(dǎo)以及消弧線圈所存在電阻損耗，接地故障發(fā)生時(shí)，零序有功電流只流過(guò)故障線路，與非故障線路無(wú)關(guān)，因此常采用零序電流有功分量選擇性漏電保護(hù)原理，

據(jù)式（3）故障支路L3始段流過(guò)的零序電流為：

非故障支路L1、L2零序電流為：

故障支路L3零序電流有功分量為：

非故障支路L1、L2零序電流有功分量為：

因此通過(guò)對(duì)零序有功分量的計(jì)算可以判斷該條線路是否有漏電發(fā)生。當(dāng)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)，由于IRN量很小，所以判斷無(wú)效。

根據(jù)以上分析可知，僅當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈串（并）電阻接地系統(tǒng)中，才可以得到零序電流的有功分量I03gY＜0，而在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中有I03gY＜0。因此可知，通過(guò)判斷零序電流有功分量I03gY，通過(guò)其值的大小即可判斷是否發(fā)生了漏電。若其值小于零可以判斷為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地并且發(fā)生了漏電故障。而當(dāng)其值為零，則可以判定系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或者未發(fā)生接地短路故障這兩種情況。在零序無(wú)功的判斷上，若其值小于零可以判斷為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的故障支路，若大于零則為非故障支路。因此通過(guò)上述兩種零序電流分量的判斷，我們既可以判斷出故障線路又可以知道中性點(diǎn)的接地方式，并且不受接地方式的影響。

綜合以上結(jié)論，對(duì)于選擇性漏電保護(hù)我們可以通過(guò)下面的方法進(jìn)行判斷。

零序電流有功分量計(jì)算公式：

式中：I0為實(shí)測(cè)零序電流；φ為零序電流與零序電壓間的角度；這里可以設(shè)定M，作為零序有功分量法的閾值且M＜0。零序電流無(wú)功分量計(jì)算公式為：

式中：I0、φ和同式（10）；可設(shè)定為零序電流無(wú)功分量法的閾值且N＜0。

為了進(jìn)一步保證漏電保護(hù)的可靠性，故障支路判據(jù)中可以引入零序電壓，作為零序有功無(wú)功分量法的選擇性漏電保護(hù)啟動(dòng)值，也就是說(shuō)，只有當(dāng)零序電壓滿足整定值時(shí)才進(jìn)行零序有功無(wú)功的判斷。

其原理流程圖如圖5所示。這里的U0M可作為保護(hù)的啟動(dòng)值。

圖5 基于零序有功無(wú)功分量的選擇性漏電保護(hù)流程

此種漏電保護(hù)判斷方法優(yōu)點(diǎn)在于：

①保護(hù)方式不受消弧線圈補(bǔ)償方式的影響，因?yàn)椴捎昧肆阈螂娏饔泄Ψ至康呐袛喾椒o(wú)論消弧線圈處于何種補(bǔ)償方式，零序有功分量始終是不變的。選擇合理的閾值即可滿足保護(hù)的條件。②不受接地方式影響，可通過(guò)流程自行判斷系統(tǒng)為何種接地方式，并進(jìn)行漏電故障的判斷。因此無(wú)需人為的設(shè)定接地方式。只需設(shè)定M、N值即可實(shí)現(xiàn)。由于上述判定方法是在理想條件下進(jìn)行的，而實(shí)際應(yīng)用中存在著一些因素的影響?？赡茉斐梢欢ǖ恼`差。①電流互感器的角特性影響。在實(shí)際的應(yīng)用中，零序電流互感器的一次側(cè)輸入與二次側(cè)輸出的角度并不一致，通常情況下會(huì)存在一定角度的偏移。這為零序有功和無(wú)功的計(jì)算判斷造成一定的誤差。對(duì)于這種誤差可通過(guò)測(cè)量進(jìn)行矯正，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)通用性會(huì)造成一定的影響。②由于在零序有功分量判斷中，通常測(cè)量值比較小，由于零序電流互感器在工作值偏小或者偏大時(shí)會(huì)存在一定的非線性，這樣對(duì)于判斷也會(huì)受到一定的影響。另外，諧波也會(huì)對(duì)較小的測(cè)量值有一定的影響。③電纜絕緣電阻的影響。電纜的絕緣電阻是會(huì)隨著系統(tǒng)電壓等級(jí)的變化而變化的，而且時(shí)間的增加也會(huì)使的阻值變小，這樣判據(jù)中M值不能完全固定，存在一定的變動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

選擇性漏電保護(hù)對(duì)煤礦井下安全供電具有十分重要的意義，本文從發(fā)生漏電后，對(duì)系統(tǒng)中的零序電流進(jìn)行分析，提出一種基于零序電流有功、無(wú)功分量的選擇性漏電保護(hù)判斷方法。該方法既不受消弧線圈補(bǔ)償方式的影響，也不受系統(tǒng)接地方式的影響，適用性強(qiáng)，具有一定的推廣意義。