选择性漏电保护原理及其实现方法BD

选择性漏电保护原理及其实现方法B D

-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1

选择性漏电保护原理及其实现方法

摘要：本文以煤矿井下小电流接地系统的漏电故障和漏电保护为研究对象，通过对小电流接地线路的漏电故障等效模型进行电路分析，总结漏电发生后电网各参数的变化规律以及典型特征，提出设计漏电检测装置和漏电保护装置的理论依据，最后给出选择性漏电保护装置的具体实现方法。

关键词：零序电流；零序电压；选择性漏电保护

Selective protection in theory and implementation Abstract： In this paper, leakage failures and protection of small current grounding system in coal mine is for the study, through analyzing equivalent model of leakage of small current grounding fault is summarized power variation and the typical of each parameter after leakage, proposed the theoretical basis of designing leakage detection and protection ,selective leakage protection device is given a specific realization.

Keywords：zero-sequence current；zero-sequence voltage；leakage detection；selective leakage protection

0 引言

“漏电”即电流未从人们预先设定的导电体流过,而是从禁止电流的绝缘体泄出。因而可知漏电发生的原因主要是绝缘受损或绝缘破坏。针对煤矿井下环境而言，由于矿井中空气潮湿，电缆易受脱落岩石以及煤块的压榨，使得电缆绝缘较容易受损，因而易发生漏电事故。

一旦发生漏电事故不当会导致电气设备的损坏，形成短路事故，而且会导致人身触电，以及引起瓦斯粉尘爆炸的危险。所以规定矿井供配电设备必须具备较高的绝缘水平以及防护等级，并且要求矿井供电系统中必须装设漏电监检装置。所以对漏电的分析和研究对设计高性能的漏电监测、保护装置具有非常重要的意义。

所谓漏电保护的选择性，就是指漏电保护装置动作时，仅将发生漏电故障线路的电源切断，其余非故障线路仍然继续运行。漏电保护的选择性具有两层涵义：一是指上、下级漏电保护之间的纵向选择性，二是指各配出支路之间的横向选择性。纵向选择性一般靠延时动作来实现，也就是时限级差方法；而纵向选择性则可以利用零序功率方向原理，即通过判断零序电流和零序电压的方向来实现选择性漏电保护。本文着重论述零序功率方向性漏电保护的原理以及实现方法。

1 小电流接地系统的漏电故障分析

发电机或者变压器中性点不直接接地的系统称为小电流接地系统。《煤矿安全规程2010》第四百四十三条规定“严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电”。目前矿井中变压器的中性点的接地方式主要有中性点不接地、中性点经电感接地以及中性点经电阻接地三种方式。对于1140V以下的供电线路主要采用人为中性点经电阻或者电感接地方式。对于3KV以上的供电线路采用中性点不接地的方式。

Figure 1 Neutral Grounding System leakage equivalent model

如图1所示为小电流接地供电系统的漏电故障等效电路模型。图1中U

a

•

、U

b

•

、U

c

•为变

压器三相电压矢量，Z

a

、Z

b

、Z

c

为三相对地分布绝缘阻抗的集中等效阻抗。在中性点经高阻接地或者经零序电感接地时，接地零序电感以及接地电阻可等效为支路各相的对地绝缘阻抗，在文中都统一为中性点不接地的情形经行

分析。Z

h

为漏电阻抗。理想状态下，三相对地绝缘对称，即：

Z Z Z Z

a b c

=== (式1)

1.1未发生漏电情况

当线路未发生漏电时，即漏电阻抗Z

h 未接入电网时有：

***

U U U

a b c

I I I

a b b

I I I I I I

a a

b b

c c

•••

⎧

⎪++=

⎪•••

⎪

++=

⎨

⎪•••

•••

⎪

===

⎪

⎩

，，

(式2)

以大地为电压参考零点，并且令变压器中

性点0电压为0U •

，则有：

结合式3、式2可得出，当三相对地绝缘平衡且无漏电发生时，变压器中性点对地电压以及电网零序电流和零序电压：

0,0

00U I ••== (式4)

根据式4可得出：

当三相对地绝缘平衡且无漏电发生时，变压器中性点对地电压即零序电压以及电网零序电流均为零。

单支路漏电故障

当电网发生漏电时，如图1所示，即有漏电阻抗Z h 接入电网的A 相，则电网的平衡被破坏，根据弥尔曼定理可直接写出变压器

0与大地0'两点的电压即0U •

的表达式：

再由对称分量法可得零序电压： 由式6可得零序电压即变压器中性点对地电压，为表述方便后文中即使用变压器中性点

对地电压0

U •

表示零序电压。由式6可得出：当电网发生单相漏电时，电网三相对地电压出现零序分量，即零序电压，零序电压等于变压器中性点对地电压。

根据基尔霍夫电流节点电流定律可得出通过漏电阻抗的电流：

此时三相绝缘阻抗中的零序分量为

根据式8，可得出：一旦线路发生单项漏

电时，由于对地绝缘阻抗的存在，便有电流经漏电阻抗和对地阻抗之间流过。流过绝缘阻抗

的电流I h •与流过绝缘阻抗的零序电流I z •

的方向

相反，流过绝缘阻抗的电流I h •为I z •

的3倍，即为每项零序电流之和。

再分析线路各段的电流情况，变压器中性点0至线路中M 点各相电流的情况：

***

,,I I I I I I I a a h b b c c •••••••=+== ***0

I I I I I I I a b c a b c h •••••••++=+++= (式9)

由于变压器中性点对地无电流回路，

再根据式9，可以得出：零序分量只产生于绝缘阻抗和漏电故障点之间。所以对于单支路供电情况，如果在变压器端（图1中的0至M 段）装设零序电流互感器，并不能反映该线路的故障状态。这也是供配电设计中的一个误区。

单母线多支路漏电故障

对于多支路供电情况，如图2所示，图2中共有n 条开出支路L 1、L 2、……L n ，每条支路每相对地绝缘电阻为,,,[1,]Z Z Z j n aj bj cj ∈，假设其中支路1的a 相发生漏电故障，漏电阻抗为Z h ，为方便计算，假设每条支路每相对地绝缘相等，即有：

,,[1,]

Z Z Z Z Z Z Z j k n aj bj cj ak bjk cjk ======∀∈

则图2中的零序电压为：

033Z U U Z

a n a U Z nZ Z h Z h n ••

•

-•-•==++

(式10)

式10与式5相同，即绝缘阻抗相当于所

有支路的绝缘阻抗并联。为方便推导，下文中直接使用式5以描述零序电压。

(3)0nZ Z U

h U a Z

•

•-+=

故障支路L 1的零序电流为：

•

•(3)•••••0•

(1)00000133nZ Z U h U U U U U n U a Z

I z Z Z Z Z Z h

h -+++--=+=+

= (式11)

非故障支路L m （[1,]m n ∈，且1m ≠）的零序

电流为：

110000

()()033U U U U U U U a b c I I I I m am bm cm Z Z Z Z ••••••••

•

•

•

+++=++=++=

(式12)

所有非故障支路的零序电流之和为：