漏电保护

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。

A

B

C

图2-8 附加直流电源漏电保护原理

C、r—各相对地电容、绝缘电阻；SK—三相电抗器；LK—零序电抗器；C—隔直电容；

J—动作继电器；kΩ—毫安表；U—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：r =100k Ω~10k Ω/相；电网对地分布电容的分布范围为：0C =0.1μF~1.0μF/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r I 、无功分量C I 的变化范围分别如下

3.114~43.113==

r

U I r ϕ

mA

359~9.3530==C U I C ωϕmA 2.2 分支馈电开关选择性漏电保护原理

3

2

L 1

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，K 2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L 1、L 2、总自动馈电开关处线路首端的零序电流分别为

01010101

001)33(3C r I I C j r U I

+=+=ω 020********)33(3C r I I C j r U I

+=+=ω 04040404

004)33(3C r I I C j r U I

+=+=ω 而流过故障支路L 3首端的零序电流则为

)()](3333[304020103004

0201003C C C r I I I I

C C j r r r U I

++--=-+++-=∑ω (2-29) 式中，040201r r r r I I I I

++=。

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r I -，其相位与零序电压差1800，非故障支

路零序电容电流之和)(040201C C C I I I

++-，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0I 、零序电压0U

的相位角分别为I ϕ、u ϕ，根据傅氏算法可得 R I I I I 00arctan

=ϕ，R

I u U U

00arctan =ϕ 令=ϕu ϕ-I ϕ，则有

)()

)((1

sin 000020202020R I I R R I R I U I U I U U I I -++=

ϕ (2-30)

上述各式中，I U 0、R U 0，I I 0、R I 0分别为0U

、0I 的虚部和实部。 将零序电流0I 超前移相900，以基波零序电压0U

为基准，将0I 投影到与0U 平行的平面上，构造下列漏电保护选线判据方程

)90cos(00101+=ϕI U P r (2-31)

式中，01U 、01I 分别为0U 、0I 的模值，且有202001I R U U U +=，202001I

R I I I +=。 根据式（2-31）计算得到的r P 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

I R R I r U I U I P 0000-= (2-32)

根据式（2-30）可知，对于故障支路L 3

∑=C r I U P 01 对非故障支路L 1（其它非故障支路与此类似）

101C r I U P -=

式中，∑C I 、1C I 分别为040201C C C I I I

++、01C I 的模值。 显然，对应于故障支路总有0>r P ，而对非故障支路则总有0

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，S R 为取样电阻，1C 、2

C