煤矿高压防爆开关漏电保护的研究

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式（ ) ） 中的总电容可由煤矿电网每年所测 的电容电流值计算出。 !& 中性点经消弧线圈接地系统漏电保护原理 现在煤矿上应用的消弧线圈主要包括预调式 和随调式，其中预调式消弧线圈大都串或并联电 阻用来防止谐振的发生，而随调式消弧线圈则一 般无此电阻。 # ） 对于中性点经预调式消弧线圈接地系统 由零序网络图可知，故障线路的零序测量导纳为 !"・" # *"・" #$ +"
图, 漏电故障时的零序网络图
圈接地系统漏电保护的问题，有学者提出了利用 零序 + 次谐波法来实现漏电保护，但是在高压防 爆开关保护中由于无法实现群体比幅、比向，且 各电网 + 次谐波的含量也不相同，因此，该方法 无法在高压防爆开关漏电保护中应用。因此，针 （(） 对上述漏电保护存在的问题，本文提出了能够克 服上述缺点的根据中性点接地方式的不同采用分 类漏电保护的新方法。 （)）
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实验验证
为验证本文提出的分类漏电保护的可靠性和准 确性，利用本实验室开发的基于 012 的高压防爆开 关综合保护装置在两个煤矿的井下 ) 34 供电系统 进行了现场模拟漏电实验。两个煤矿) 34供电系统 都安装了消弧线圈（补偿后系统电容电流都小于 & ，其中有一个煤矿安装的为随调式消弧线圈， 5） 另一个煤矿安装的是预调式消弧线圈。在验证中性 点不接地系统漏电保护的准确性时将消弧线圈退出 侧） ，零序导纳法的整定值为预调式消弧线圈所并 电阻导纳的一半，零序导纳增量法的整定值按照整
电气安全
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煤矿高压防爆开关漏电保护的研究
! ! 由于煤矿高压电网中性点接地方式的改变，造成井下 高压防爆开关的漏电保护在应用中存在不少误动和拒动现 象，详细分析了漏电故障时各开关所测零序分量的特征和 造成原有漏电保护不准确的原因。提出了根据中性点接地 方式的不同采用分类漏电保护的新方法，该方法构成的高 压综合保护装置通过实验和运行表明，提高了漏电保护动 作的准确性。
( ） 对于中性点经随调式消弧线圈接地系统， ( %$ !) & ) # & # #
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理论上通过式（ - ） 仍然可以判断出故障，但由 于系统对地绝缘电阻很大，因此会影响到漏电保 （&） 护的准确性，该方法在实际应用中仍存在问题。 此时可通过导纳增量法来实现，其基本原理是利 用随调式消弧线圈的补偿滞后的特性（ 随调式消 弧线圈对电网进行补偿时需要首先检测到漏电故 障的发生，然后通过控制投切各种开关或可控硅 开实现补偿，这个补偿过程需要一定的时间） 来 实现的，其原理为：非故障线路补偿前后其零序 ，补偿前后差值为 " 。而故障线 导纳都同式（’ ） 路补偿前同式（ ’ ） ，补偿后 !"・" # *"・" #$ +"
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电气安全
路对地电阻可以忽略不计。
可见，在中性点经消弧线圈接地系统中非故 障线路开关所测零序电流特性与中性点不接地系 统相同，而故障线路开关所测零序电流的大小和 方向与消弧线圈的补偿电流有关。由于现在煤矿 上采用的消弧线圈大都为自动跟踪补偿的消弧线 圈，其补偿状态可能为欠补偿、全补偿和过补偿 状态中的任何一种，且接近于全补偿状态。因此 故障线路开关所检测到的零序电流不一定大于其 本身线路的对地电容电流，且方向也与补偿度有 关。所以，上述零序电流型和零序功率方向型漏 电保护在原理上就无法实现选择性。针对消弧线
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电气安全
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故障线路所测导纳为 !"・" # $
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由式（ ’ ） 和式（ & ） 可见，通过检测导纳的 大小和方向就可以判断出故障线路。为了防止非 故障线路的误判，对于非故障线路由于互感器等 误差造成误动作，一般采用方向判据时，应附带 大小的判断。由于防爆开关后电缆长度一般都较 短，不会超过整个系统电缆长度的一半，因此其 动作值可简化为 !"・& & $ # (
现假设在第 ! 个开关的负荷侧发生漏电故障， 则流过各个开关的零序电流如下。 +- 中性点不接地系统 第 " 个非故障线路开关所测零序电流为 ##$・" $ % %# & " & ’% %!’ " (’% %# !’ " 故障线路开关所测零序电流为 ##&・! ( ) % %［ （ ’ ) ’! ） ］ # & ) & ! * ’!
［ ( ) *］ 方法 ，上述这些方法都是利用某变
关键词! "#$%&’() 漏电保护・ 分类法・ 中性点接地方式・ 防爆开关・
电所所有线路的信号特征设计的，对只 能单独利用某一支路的信号特征来实现 漏电保护的方法研究得比较少。因此，
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・冶金电气・*+,+ 年第 *- 卷第 . 期
煤矿高压防爆开关漏电保护的研究
而非故障线路则同式（ ’ ） ，对上式取实部则 可得
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通过式（-）可见，故障线路的电导远大于非故 障线路的电导，且其值主要由消弧线圈所并（或串） 可以通过电导的大小和方向来判断故障，其整定值 与消弧线圈所并（或串）电导的大小有关。
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・冶金电气・!"#" 年第 !$ 卷第 % 期
陈! 奎 " 副教授
故障。因此， 《 煤矿安全规程》 中规定 煤矿井下高压防爆开关中应装设短路、 过负荷和漏电保护。现有煤矿高压防爆 开关综合保护装置在使用中短路保护和 过负荷保护基本上能满足现场需要，但 是漏电保护在应用中经常会出现误动或 拒动现象。而煤矿供电系统中漏电故障 占到 $%& 以上，并且一些短路故障往 往也是由漏电故障发展而成。为此，一 些学者对漏电保护进行了研究，提出了 零序电流法、零序电流功率方向法、零 序电流有功功率方向法、’ 次谐波法、 导纳法和“ 注入信号” 法等漏电保护
陈! 奎! 张! 丽! 孙常青 " 中国矿业大学信息与电气工程学院
对煤矿高压防爆开关的漏电保护进行研究 具有重要的现实意义和重大的经济价值。
煤矿高压电网漏电故障时零序分量 特性分析
! ! 根 据 我 国 《 矿 用 隔 爆 型 配 电 装 置》 的国家专业标准的规定，煤矿高压防爆开 关应装设零序电流型漏电保护或零序功率 方向型漏电保护，其零序电流的大小可以 根据实 际 情 况 来 整 定，动 作 时 间 一 般 在 %+ ( , 左右可以整定。对零序电流型漏电 保护的检测方法为：开关的负荷侧人为在 每相对地之间加 ( !- 电容，然后在每相 上进行漏电实验；对零序功率方向型漏电 保护的检测方法为：开关的电源侧人为在 每相对地之间加 ( !- 电容，然后在每相 上进行漏电实验。由上可见，零序电流型 漏电保护由整定零序电流的大小来实现选 择性；零序功率方向型漏电保护由零序电 容电流的方向和大小来实现选择性。而如 今煤矿 . /0 供电系统中性点接地方式主 要有两种：一种为中性点不接地系统，另 一种为中性点经消弧线圈接地系统。并且 《 煤矿安全规程》 上规定，当煤矿 . /0 供 电系统的对地电容电流大于 1% 2 时，应 采用中性点经消弧线圈接地系统。我国煤 矿电网随着电缆长度的不断增加，逐渐从 1% 世纪 $% 年代的中性点不接地系统改为 中性点经消弧线圈接地系统。图中为煤矿 . /0 系统第 ! 条线路经电阻 " 漏电时的 网络图。图中当 34( 打开时为中性点不接 地系统，当 34( 闭合时为中性点经消弧线 圈接地系统，# 5 为消弧线圈电感， $ 5 为预 调式消弧线圈所并电导。由于煤矿高压电 网的对地绝缘电阻一般较大，因此，各线
! ! 随着煤矿现代化程度的不断提高和 井下高压电供电距离的增加，对煤矿井 下供电系统的可靠性、安全性和连续性 的要求越来越高。由于煤矿井下工作环 境恶劣经常出现漏电故障，漏电故障若 不及时排除会存在较大危害，例如可以 引起瓦斯、煤尘爆炸或提前点燃雷管等 事故，直接危及人身安全和矿井生产。 同时电网相电压的升高，长期运行将导 致绝缘击穿，甚至发生两相或三相短路
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) 大值法小电流接地选线研究［ * ］ ( 中国电机工程学 报，#’’& ，#& （ + ） ：,-.&,(
［ # ］ 要焕年，曹梅月( 电力系统谐振接地［ / ］ ( 北京： 中国电力出版社，#’’’( ［ 0 ］ 桑在中，张慧芬，潘贞导( 用注入法实现小电流接 地系统单相接地选线保护［ * ］ ( 电力系统自动化， %--+ ，#’ （ # ） ：%%.%#( ［ , ］ 曾祥君，尹项根，张哲，等( 零序导纳法馈线接地 保护的研 究 ［ * ］ ( 中 国 电 机 工 程 学 报， #’’% ， #% （,） ：&.%’( ［ & ］ 王泉根( 高压漏电保护装置误动作的一般原因及解 决方法［ *］ ( 电世界，#’’+ ，,1 （ 0 ） ：&&( ［ + ］ 李 艳 东( 煤 矿 漏 电 保 护 装 置 的 现 状 及 发 展 方 向 ［ *］ ( 科技咨询导报，#’’1 ，#’ ：#’-( ［ 1 ］ 唐轶，陈奎，陈庆，等( 馈出线测量导纳互差求和 小电 流 接 地 选 线 研 究 ［ * ］ ( 电 力 系 统 自 动 化， #’’& ，#- （ %% ） ：+-.10( ［ 2 ］ 陈奎( 单相接地故障综合判据选线研究［ 3 ］ ( 徐 州：中国矿业大学，#’’&( ［ - ］ 唐轶( 选择性漏电保护［ / ］ ( 北京：煤炭工业出 版社，%--&( （ 收稿日期：#’’- ’& #’ ） !"
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分类漏电保护原理
由于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈 接地系统发生漏电故障时，故障线路开关所检测 到的零序电流的特征不同而无法采用相同的漏电 保护原理。因此，要保证开关保护在各种中性点 接地方式下都能准确工作，其保护原理必须采用 与中性点接地方式相对应的分类漏电保护原理。 +- 中性点不接地系统漏电保护原理 由上述分析可见，在中性点不接地电网发生 漏电故障时，故障线路检测的零序电流不仅与电 网的对地电容有关，而且也与发生漏电故障处的 接地电阻有关。而现有防爆开关中的漏电保护是 以零序电流来整定的，如果整定过大则可能造成 高阻接地时出现拒动现象；当整定过小时则可能 出现误动现象。而漏电故障时的接地电阻的阻值 是个不确定的值，所以无法通过整定来完全消除 上述出现的拒动或误动现象。下述基于导纳法的 漏电保护就可解决上述问题，其原理如下： 非故障线路所测导纳为 ## " $ % & " & ’% !’ " (’% !’ " %#
可见，在中性点不接地系统中故障线路开关 所测的零序电流等于所有非故障部分零序电流之 和，且方向相反，因此可以根据这些特征来实现 漏电保护。零序电流型漏电保护和零序功率方向 型漏电保护是基于上述原理而提出的，但是在煤 矿实际应用中由于漏电故障又包括金属性和高阻 性等多种类型的漏电故障。随着接地电阻的增大， 零序电压和零序电流不断减小，造成零序电流型 漏电保护经常出现拒动现象，而零序电流功率型 漏电保护出现误动或拒动现象。 )- 中性点经消弧线圈接地系统 非故障线路开关所测零序电流同式（ ( ） 。由 于消弧线圈电感电流的影响故障线路开关所测零 序电流为 ##&・! ( ) %# & * * ’ ()
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补偿前后的导纳增量绝对值为
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因此，可 以 利 用 式（ #" ） 来 判 断 出 故 障 线 路。有的随调式消弧线圈为了提高漏电保护的准 确性，在发生漏电故障后，自动将补偿电流短时 加以改变来实现漏电保护。此时，该方法可以实 现 ( 次判断，提高保护的准确性。
电导有关，而系统对地绝缘电阻可忽略不计。因此， 即可。在 实 验 中 将 零 序 电 压 整 定 为 #" 4 （ 二 次
煤矿高压防爆开关漏电保护的研究
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电气安全
个电网对地电容的一半来整定，每个电网都进行 # $!、% $!、&’’ ! 和 ’ ! 的接地实验。通过实验发 现，按照本文所述分类的漏电保护进行实验无论高 阻还是低阻接地都能正确地切除故障。