煤礦漏電保護系統(tǒng)的設(shè)計

1、煤礦漏電保護系統(tǒng)的設(shè)計摘 要漏電保護是保證煤礦井下安全供電的三大保護之一，是防止人身觸電的重要措施。有選擇性的漏電保護是指當電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，能夠有選擇地發(fā)出故障信號或切斷故障支路電源，而非故障部分繼續(xù)工作。從而減小故障停電范圍，便于尋找漏電故障，縮短漏電停電時間，提高供電的的可靠性。本文主要對礦井漏電保護的五種保護原理進行了比較詳細的介紹。并對五種漏電保護原理進行較為深刻的比較、分析和總結(jié)。分別闡述了它們各自的優(yōu)缺點。并且運用五種原理之一的零序電流方向保護原理，設(shè)計一套井下有選擇性的漏電保護系統(tǒng)，并對其運用MATLAB進行仿真。最后，對仿真出來的波形圖也進行了必要的比較和分析。關(guān)鍵詞：漏電

2、保護；礦井電網(wǎng)；零序電流方向；Leakage protection system design of the coal mineKey words: 目 錄1緒論31.1課題研究的背景31.3課題研究的目的和意義51.4本文的主要研究目的和工作任務(wù)52.1 井下低壓供電系統(tǒng)的基本特點62.1.1 變壓器的運行方式62.1.2 礦井低壓電網(wǎng)電壓等級62.2 井下低壓電網(wǎng)的漏電分析72.2.1 單相漏電分析73.1 對漏電保護的要求143.2 選擇性漏電保護原理153.2.1 漏電保護的選擇性153.2.2 附加直流電源的保護原理163.2.3 零序電壓的保護原理193.2.5 零序電流的保護原理

3、253.2.5.1 保護原理254 MATLAB仿真模型的建立及原理應(yīng)用294.1.1 零流方向保護原理圖294.1.2 MATLAB仿真圖294.2 選擇性漏電保護裝置31參考文獻361緒論1.1課題研究的背景漏電保護是保證煤礦井下安全供電的三大保護之一，是防止人身觸電的重要措施。多年來，由于煤礦職工的不懈努力，井下電氣事故，特別是人身觸電事故，有顯著減少。但是不可否認，事故仍然時有發(fā)生，應(yīng)當引起我們的充分注意。我國的煤炭生產(chǎn)，現(xiàn)在主要還是在井下進行。煤礦井下的工作條件特殊，環(huán)境比較潮濕，相對濕度往往高達95%以上。為此，對其使用的電氣設(shè)備和電纜的絕緣，必須提出較高的要求。盡管如此，運行中的

4、電氣設(shè)備及其供電電纜，仍然有發(fā)生漏電的危險。特別是工作的電纜，被砸或被擠壓得機會較多，絕緣更容易損壞，漏電的可能性更大。漏電的后果，可能導致人身觸電，瓦斯煤塵爆炸和電氣雷管的先期爆發(fā)，此外，大量的漏電電流如果長期存在，還有可能使電氣設(shè)備的絕緣進一步惡化，以致?lián)p壞，從而造成相間短路，電氣火災(zāi)及其它危及礦井安全的嚴重事故。因此，必須采取切實可靠的漏電保護措施，及時將漏電故障切除，方能使上述隱患得以防止，保證供電安全。所以，對于漏電保護原理的研究和應(yīng)用，顯得尤為重要。1.2漏電保護原理的發(fā)展歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢總的看來，礦井漏電保護技術(shù)的發(fā)展可以概括為3個階段和2次飛躍。3個階段是機電式半導體式和微機

5、式。第1次飛躍是由機電式到半導體式，主要體現(xiàn)在無觸點化、小型化、低功耗方面；第2次飛躍是由半導體式到微機式，主要表現(xiàn)在數(shù)字化和智能化方面。顯而易見 ，第2次飛躍尤為重要，它為礦井電網(wǎng)漏電保護技術(shù)的發(fā)展開辟了前所未有的廣闊前景。從運行角度考慮，自然是要求漏電保護系統(tǒng)有選擇性，但從安全考慮，選擇性漏電保護系統(tǒng)又存在動作時間長觸電的危險性增大的問題，因此，既要考慮漏電保護裝置動作的選擇性，又要滿足人身觸電的安全要求，還要適合我國現(xiàn)行的中性點不接地方式的特點。目前選擇性漏電保護在我國井下低壓電網(wǎng)的使用中誤動拒動現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。同時由于上級選擇性漏電保護裝置動作存在延時，使靠近供電

6、電源的選擇性漏電保護裝置的動作時間較長，在該保護范圍內(nèi)人身觸電的危險性就較大。從而出現(xiàn)了漏電保護裝置動作的選擇性與人身觸電的安全線之間的矛盾。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將計算機技術(shù)引入漏電保護系統(tǒng)，從而構(gòu)成可通信的具有快速選擇性漏電保護系統(tǒng)，以實現(xiàn)快速無級差的漏電保護，確保人身安全。根據(jù)礦井低壓電網(wǎng)情況，其可通信的智能快速選擇性漏電保護系統(tǒng)應(yīng)是目前發(fā)展趨勢。1.3課題研究的目的和意義漏電保護的主要目的是通過切斷電源的操作來防止人身觸電傷亡和漏電電流引爆瓦斯煤塵。我國對漏電保護的研究是從煤礦井下低壓電網(wǎng)的漏電保護開始的，至今已有四十余年的歷史。四十年的實踐證明，它對我國礦井安全供電發(fā)揮了巨大

7、的作用。它已成為我國礦井安全供電的不可缺少的組成部分。正因為它在安全供電方面作用重大，因此，漏電保護已陸續(xù)在各行各業(yè)的供電網(wǎng)中安家落戶。眾所周知，由于近幾年來礦難時有發(fā)生，黨和政府對煤礦的安全生產(chǎn)尤為重視。如何能盡量減少礦井事故的發(fā)生。一個是人為因素，我們要規(guī)范操作規(guī)程，加強安全教育。再一個就是要看我們的技術(shù)研究人員，在井下安裝的檢漏繼電器能否迅速跳閘，漏電保護裝置能否正常的工作。我們要根據(jù)不同的礦井條件，運用不同的漏電保護原理。只有這樣才能充分發(fā)揮各個漏電保護原理的優(yōu)點，盡可能的降低煤礦事故的發(fā)生率。所以，對于研究技術(shù)人員來講，對于學習、研究和比較它們各個漏電保護原理的優(yōu)點和缺點，十分重要。

8、煤礦安全生產(chǎn)是十分重要的，在我們解決好這個問題以后。我們也應(yīng)考慮一下礦井的正常生產(chǎn)，不能由于漏電保護裝置的跳閘，影響到整個礦井的正常生產(chǎn)。即我們要考慮，漏電保護的選擇性。選用一種漏電保護原理，它既可以保證煤礦井下的安全，又可以有選擇的跳閘。在一個支路有故障的情況下，只跳開這一條支路，不會影響到其它支路的正常生產(chǎn)。這樣則可以盡可能的為煤礦企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。這也就是我們研究漏電保護真正的目的和意義所在。1.4本文的主要研究目的和工作任務(wù) 本論文的研究對象是井下中性點不接地的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)，研究重點主要放在發(fā)生單相漏電故障時，通過中性點不接地電網(wǎng)系統(tǒng)的漏電分析，研究不同原理的漏電保護機制，對比選擇性，

9、運用通過零序電流方向來作為選擇性漏電保護的判據(jù)，并使用MATLAB進行仿真，驗證其可行性。2 井下低壓電網(wǎng)的漏電分析在電力系統(tǒng)中，當帶點導體對大地的絕緣阻抗降低到一定程度，使經(jīng)該阻抗流入大地的電流增大到一定程度，我們就說該導體發(fā)生了漏電故障，或者說該供電系統(tǒng)發(fā)生了漏電故障。2.1 井下低壓供電系統(tǒng)的基本特點當電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，原來三相對稱的運行狀態(tài)就要發(fā)生變化，絕大部分情況下其對地的對稱性遭到破壞，因而各相對地電壓不再對稱，并產(chǎn)生零序電壓和零序電流。運用對稱分量法、節(jié)點電壓法及戴維南定理等理論，可以對井下低壓660V供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時的狀態(tài)進行深入的定量分析，分析的結(jié)果將為設(shè)計完善可靠的

10、漏電保護系統(tǒng)提供理論依據(jù)。同樣的分析方法，也適用于中性點絕緣的低壓380V、1140V和610KV高壓電網(wǎng)。目前我國煤礦井下廣泛使用的低壓供電系統(tǒng)有以下特點：2.1.1 變壓器的運行方式目前應(yīng)用較廣泛的煤礦井下低壓電網(wǎng)中性點的接地方式有兩種。中國、美國、德國等國家采用變壓器中性點絕緣的運行方式，其最大的特點是比較安全，漏電電流小，但對保護裝置的靈敏度要求較高；英國、印度和澳大利亞等英聯(lián)邦成員國，大都采用變壓器中性點經(jīng)高電阻接地的運行方式，其特點是漏電電流較大，不利于安全，但對保護的靈敏度要求不高，因而保護裝置的可靠性較高。這種接地方式發(fā)生漏電時的理論分析與結(jié)果都與中性點絕緣系統(tǒng)類似。一般工礦企

11、業(yè)的地面電壓，由于環(huán)境條件較好和要兼顧照明等原因，都采用中性點直接接地的運行方式。在中性點直接接地的電網(wǎng)中，若發(fā)生單相接地，便形成單相接地短路，短路電流很大，短路點將產(chǎn)生一個很大電弧，如果在井下，就足以引起瓦斯、煤塵爆炸。鑒于以上原因，我國煤礦安全規(guī)程第409條規(guī)定：井下配電變壓器不得中性點直接接地，但專供架線電機車變流設(shè)備用的變壓器或發(fā)電機不得直接向井下供電 礦井低壓電網(wǎng)電壓等級其中660V是至今應(yīng)用最廣泛最普遍的電壓，無論是炮采、普采、高檔普采及綜采都大量使用660V電網(wǎng)供電。380V在60年代以前是我國井下唯一的動力電壓（低壓）等級，但隨著70年代機械化采煤的發(fā)展和用電設(shè)備單機容量的增大

12、，380V電網(wǎng)已逐步被660V和1140V電網(wǎng)所替換，目前僅有一些地方煤礦和少數(shù)采用炮采工藝的國有煤礦使用。1140V電網(wǎng)重要用于綜合機械化采煤機組，但全礦井下要實現(xiàn)統(tǒng)一的1140V電網(wǎng)供電還是有一定的困難的，而且其必要性也很有爭議。2.2 井下低壓電網(wǎng)的漏電分析由于三相電源的中性點不接地，所以不論電網(wǎng)發(fā)生什么類型的漏電故障，電網(wǎng)的線電壓都不會發(fā)生變化，仍是三相對稱的。單相漏電和兩相漏電均屬于不對稱故障，故障發(fā)生后，電網(wǎng)各相對地電源就不再對稱，并且變壓器中性點也要發(fā)生位移，產(chǎn)生對地電壓（零序電壓），如果系統(tǒng)中有零序回路，則在回路中有零序電流流通。考慮到井下低壓電網(wǎng)與其各相對地的絕緣阻抗可以構(gòu)成

13、一個具有一個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，故應(yīng)用節(jié)點電壓法進行漏電分析較為方便，但這種分析方法要用到的零序電壓、零序電流及零序阻抗的概念，仍出自對稱分量法的理論。針對一個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點電壓法的定義為：聯(lián)到節(jié)點的各支路電動勢和該支路阻抗之商的相量和，等于該節(jié)點電壓與聯(lián)到該節(jié)點各支路阻抗并聯(lián)之商。即：(2-1)式中節(jié)點電壓；聯(lián)到節(jié)點的各支路阻抗并聯(lián)值（理解為節(jié)點內(nèi)所有支路）； 節(jié)點內(nèi)各支路的電動勢；與各同支路的阻抗。2.2.1 單相漏電分析井下低壓供電單元發(fā)生單相漏電的情況如圖所示：圖中，動力變壓器T二次側(cè)中性點不接地，為L1漏電的過度電阻，其變化范圍約為011K，為各相對地絕緣電阻為各相對地電容，對于漏電回路，

14、變壓器，線路及大地的阻抗均為歐姆數(shù)量級以下,遠小于R和容抗,可以忽略。正常時井下低壓電網(wǎng)的電源中性點N與大地N之間只有三條支路并聯(lián)，并分別由各相電動勢與各相對地的零序阻抗Zzs組成，故構(gòu)成一個具有一個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生單相漏電或兩相漏電時，相當于在漏電相的零序阻抗上并聯(lián)了過渡電阻Rtr，因而可以直接應(yīng)用節(jié)點電壓法求出中性點與大地的電位差Vzs,進而根據(jù)邊界條件和回路電壓定律求得其他故障參數(shù)的表達式。此時的等效電路如圖2-3所示：N點為變壓器二次側(cè)中性點，N為大地，設(shè)在L1相發(fā)生單相漏電，過渡電阻為，顯然當未發(fā)生單相接地時，電路相當于三相對地接有一阻抗Zzs的三相星型對稱負載，根據(jù)公式（2-1）可

15、得=0，也就是不產(chǎn)生零序電壓，因此也不會產(chǎn)生零序電流，三相對地只有較小的各相泄露電流，并在地中達到平衡。需要說明的是電網(wǎng)每相對地零序阻抗Zzs的含義。由于井下低壓電網(wǎng)為中性點絕緣系統(tǒng)，入地的漏電電流必須經(jīng)過非故障相的絕緣電阻r2、r3和對地電容C1、C2構(gòu)成回路，故Zzs是電網(wǎng)每相對地絕緣電阻r和電容電抗并聯(lián)以后的阻抗值（電纜線路對地感抗很小忽略）。即：(2-2)式中=,。當發(fā)生單相漏電時，相當于在L1相的零序阻抗Zzs上又并聯(lián)了一個過渡電阻,因而破壞了原本由Zzs組成的三相星型負載的對稱性。根據(jù)公式（2-1），并令與Zzs的并聯(lián)值為,故得零序電壓如下： .(2-3)式中和相量算子。各相零序電

16、流：.(2-4)又，根據(jù)回路電壓定理得故障相的對地電壓： .(2-5)同理，非故障相對地電壓：.(2-6).(2-7)電網(wǎng)經(jīng)入地的漏電電流： .(2-8)與各相對地電壓的相量關(guān)系圖如2-4所示：2.2.2 兩相漏電分析等效電路如圖2-5所示，分別在L1和L2兩相發(fā)生了經(jīng)過過渡電阻的漏電故障，相當于在L1、L2相的零序阻抗Zzs上并聯(lián)了一個電阻，同樣破壞了于本由三個Zzs所組成的三相星型負載的對稱性。 利用節(jié)點電壓法，可以求得兩相漏電各故障參數(shù)的相量表達式如下：.(2-9).(2-10).(2-11).(2-12).(2-13)電網(wǎng)經(jīng)入地的各相漏電電流，可據(jù)邊界條件求得如下： .(2-14) .

17、(2-15)電網(wǎng)總的入地漏電電流： .(2-16)比較兩種漏電的分析結(jié)果可知：（1） 兩種故障下零序電壓與各對地電壓的相量關(guān)系是完全相似的。（2） 在相同的電網(wǎng)參數(shù)和故障條件（）下，單相漏電的、有效值大于兩相漏電。（3） 在中性點絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相漏電、兩相漏電等不對稱漏電故障時，必產(chǎn)生具有一定大小和相位的、，而故障處的各相對地電壓分別等于各相正常時的相電壓與零序電壓的相量和，電網(wǎng)線電壓仍保持其對稱性。（4） 當兩相漏電過渡電阻0時，電網(wǎng)就發(fā)生兩相接地短路，成為短路加漏電的復(fù)合型故障，所以分析過程稍復(fù)雜些；當單相漏電過渡電阻0時，由于系統(tǒng)中性點絕緣，雖被稱之為單相接地短路，但完全不屬于短路的

18、范圍，只是一種最嚴重的漏電故障。在實際的井下660V電網(wǎng)中，即使故障時0，也不大于1A，故常稱之為單相接地。在前面分析中得出的公式中，令0即可得到單相接地時各參數(shù)的計算公式。在工程實際中，井下低壓電網(wǎng)發(fā)生兩相漏電的幾率遠不如單相漏電高，其故障程度（僅就漏電而言）也比單相漏電輕。單相漏電約占漏電總數(shù)的85%，而且有相當一部分（約為30%左右）單相漏電若不及時切除，將發(fā)展成更嚴重的短路故障，所以單相漏電是井下低壓電網(wǎng)漏電故障的主流。至于三相漏電，它在井下低壓電網(wǎng)中也有一定的發(fā)生率（約占10%），例如因電纜、電動機老化而產(chǎn)生的漏電等。三相漏電屬于對稱性漏電，并不產(chǎn)生零序電壓和零序電流，相當于三相對地

19、接一個星型連接的對稱性負載，并不影響各相對地電壓的對稱性，故對這種漏電故障的分析非常簡便。3選擇性漏電保護漏電保護的主要目的是通過切斷電源的操作來防止人身觸電傷亡和漏電電流引爆瓦斯煤塵。對于井下中性點絕緣的供電單元，漏電保護有多種方式，如附加電源直流檢測式，零序電壓、電流式，旁路接地式等，他們的保護原理各不相同。在目前國內(nèi)外技術(shù)水平條件下，單靠一種漏電保護已不能構(gòu)成針對一供電單元的完善的漏電保護系統(tǒng)。3.1 對漏電保護的要求漏電的后果，可能導致人身觸電、瓦斯煤塵爆炸和電雷管的先期爆發(fā)。長期存在的漏電電流，還可能使電氣設(shè)備的絕緣進一步惡化，從而造成相間短路、電火災(zāi)和其他危及礦井安全的電氣事故。為

20、了防止漏電事故的發(fā)生，首先應(yīng)當采取各種預(yù)防措施，除了正確地選擇和使用電氣設(shè)備、提高工作人員的電氣安全素質(zhì)外，還必須加強對低壓電氣設(shè)備，特別是電纜線路的運行、日常維護和預(yù)防性試驗等工作，并保證在供電系統(tǒng)中消滅一切不合乎規(guī)程要求的電氣接頭，以確保電網(wǎng)對第具有正常的絕緣水平。當電網(wǎng)真的發(fā)生可能引起危險的漏電故障時，必須立即將故障電網(wǎng)（或支路）的電源切除，以防止事故范圍的擴大，這就是設(shè)置漏電保護的必要性。漏電保護與過流保護、過電壓保護等其他保護一樣，都屬于繼電保護的范圍，所以它應(yīng)該滿足全面、安全、可靠、動作靈敏及具有選擇性等基本要求。由于井下低壓電網(wǎng)，多是一臺動力變壓器為一單獨的供電單元，所以，全面是

21、指保護范圍應(yīng)覆蓋整個供電單元，沒有動作死區(qū)，無論該供電單元內(nèi)何處發(fā)生什么類型的漏電故障(對稱的和不對稱的)，都能起到保護跳閘的作用。保護全面的另一要求是：無論電氣設(shè)備或電網(wǎng)處于什么狀態(tài)（例如開關(guān)合閘前和合閘后，或合閘過程中等），當發(fā)生漏電時應(yīng)能起相應(yīng)的保護作用，或者是切斷電源，或者是閉鎖送電開關(guān)，使之不能對已漏電的電氣設(shè)備或線路送電。所謂安全性，從保護人員觸電的角度出發(fā)就是要滿足30。安秒值的規(guī)定，即用從最嚴重的觸電事故發(fā)生到電源被切除的時間乘以流過人體的電流，其乘積應(yīng)不超出30。因此，提高保護裝置的動作速度和降低通過人身的電流對人身安全有重要作用。對于單相接地或其他集中性的漏電故障，從不引爆

22、瓦斯煤塵的角度看，應(yīng)保證在切斷電源或發(fā)生間歇性漏電時，接地點的漏電火花能量小于0.28mJ。保護可靠有兩個含義，一是保護裝置（或系統(tǒng)）本身應(yīng)有較高的可靠性，這要由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、保護單元的簡單程度及元件質(zhì)量、制造裝配工藝等來保證；二是保護性能要可靠，即當本供電單元內(nèi)發(fā)生漏電故障時，它一定動作（不拒動），而當本供電單元外發(fā)生任何漏電故障或其內(nèi)發(fā)生非漏電故障時，它一定不動作 （不誤動）。動作靈敏性是指保護裝置對故障的反應(yīng)能力，要求對于最輕的漏電故障，保護裝置也能可靠動作，因此，保護裝置必須對臨界漏電故障同樣具有較強的反應(yīng)能力。選擇性是任何保護系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，它要求在供電單元中只切除故障部分的電源，

23、而不切除非故障部分的電源。對于漏電保護系統(tǒng)來說，它的要求是：在放射式系統(tǒng)中只切除漏電支路，其余支路均能正常供電；在干線式系統(tǒng)中，當支路漏電則切斷支路電源，當干線漏電則切除該干線的電源；在混合式供電系統(tǒng)中可根據(jù)上述原則視故障點的不同而切除相應(yīng)的線路。選擇性的目的就是將故障時的停電范圍盡可能減小。3.2 選擇性漏電保護原理3.2.1 漏電保護的選擇性漏電保護的選擇性有兩個方面：.1 橫向選擇性橫向選擇性是值漏電保護系統(tǒng)僅切斷漏電故障所在支路，并保證非漏電故障所在支路的正常供電。如圖（3-1）在A、B、C中都裝有漏電保護裝置。當K1點發(fā)生漏電時，漏電保護系統(tǒng)中只有C4磁力起動器或B2分支饋電開關(guān)中的

24、選擇性漏電保護器動作，使C4磁力起動器切斷K1點漏電故障所在的支路，而其他裝置均不動作。.2 縱向選擇性縱向選擇性是指漏電保護系統(tǒng)僅切斷漏電故障所在段的線路，并保證非漏電故障所在段繼續(xù)供電。當K2點發(fā)生漏電時，哪么只有C4磁力起動器中的選擇性漏電保護器會動作，使C4磁力起動器切除漏電點，而B2分支饋電開關(guān)中的選擇性漏電保護器則不動作。這樣可以保證B2分支饋電開關(guān)繼續(xù)向C3磁力起動器控制的支路供電。如 K1點發(fā)生漏電故障，則只有B2分支饋電開關(guān)中的漏電保護器動作，與A總自動饋電開關(guān)配合的漏電保護裝置不應(yīng)動作 ，從而保證A總饋電開關(guān)繼續(xù)向B1分支饋電開關(guān)支路供電。目前，漏電保護的縱向選擇性靠時間延

25、時來配合，即由負荷端向電源端，各級漏電保護裝置逐級延時，這樣，當漏電故障發(fā)生在靠近負荷側(cè)時，由于靠近負荷端的漏電保護器動作速度快而首先動作，并使相應(yīng)開關(guān)切斷漏電故障所在支路的所在端，而靠近電源端的漏電保護器帶有的延時，還沒有來得及動作，待漏電故障切除后，它又返回而不動作，從而達到縱向選擇性的目的。橫向選擇性原理主要有三種：（1） 零序電流原理（2） 零序功率方向原理（3） 諧波電流方向原理由于井下低壓電網(wǎng)的單相漏電電流并不大，對于660V電網(wǎng)來說相時，單相金屬接地電流只有385mA，如發(fā)生人身觸電或是經(jīng)過過渡電阻接地時，漏電電流就更小。并且，井下低壓電網(wǎng)的零序電流中，諧波分量也不很高，因此，井

26、下低壓電網(wǎng)一般不采用諧波電流方向原理。而單一采用零序電流式漏電保護，動作電阻值不固定，不能保證對稱性漏電故障及不能補償電容電流。選擇性漏電保護裝置一般設(shè)在總饋電開關(guān)和分支饋電開關(guān)兩處，而磁力起動器處一般只設(shè)漏電閉鎖保護，即采用二級選擇性漏電保護系統(tǒng)。為保證選擇性，上、下級漏電裝置之間通過延時來實現(xiàn)動作的選擇性，橫向選擇性多采用零序功率方向保護原理來實現(xiàn)，但總自動饋線開關(guān)處的漏電保護裝置一般采用附加直流電源的保護原理。 附加直流電源的保護原理.1 保護原理圖 3-2 附加直流電源的保護原理圖a直流電源加在人為中性點與地之間；b直流電源在變壓器中性點與地之間 無論直流電源是通過三相電抗器組成的人為

27、中性點（圖3-2a）或者變壓器的中性點（圖3-2b）,施加在三相電網(wǎng)與地之間，都會有電流I由正極流出，入“地”后，經(jīng)絕緣電阻、和進入三相電網(wǎng)，再由三相電抗相圈（或三相電抗器）SK（對于圖3-2b,為變壓器繞組），零序電抗線圈（或零序電抗器）LK，千歐表K和直流繼電器J，返回負極。對于穩(wěn)定的直流電流，電容器和電網(wǎng)對地電容,和相當與開路，不會有電流流過。此時的直流I可由下式求得：（3-1）式中 直流檢測電源電壓； 三相電抗線圈每相線圈的直流電阻； 零序電抗線圈的直流電阻； 千歐表的電阻； 直流繼電器線圈的電阻； 接地電阻； 三相電網(wǎng)各相對地的絕緣電阻、和并聯(lián)后的總電阻，亦即 對于直流回路來講，相當

28、于三相電網(wǎng)每相對地的絕緣電阻并聯(lián)。若一相絕緣電阻降低，其余兩相為無限大，則=;若A，B兩相絕緣電阻同時降低，且= =r，而其余一相為無限大，則=r/2;若三相絕緣電網(wǎng)同時下降，且= = =r,則=r/3。 在式（3-1）中，除很小忽略以外，和均為定值。若令 為檢漏繼電器的內(nèi)阻，則該式變?yōu)椋?（3-2）當U和一定時，直流繼電器J和千歐表k中的電流值，將隨值變化。在直流繼電器選定以后，動作電流值是以知的。因此，當絕緣電阻值下降到一定程度或電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，電流I將大于或等于繼電器的動作電流值，繼電器便會立即動作。其常開或常閉觸點，將接通自動饋電開關(guān)的分勵脫扣線圈，或斷開其無壓釋放線圈，使自動饋電

29、開關(guān)跳閘，達到漏電保護的目的。這就是附加直流電源的保護原理。流繼電器是懸掛式的，當其懸掛位置不正確，偏離垂直狀態(tài)，必然要影響動作電流值；此外在運行中如果繼電器受到?jīng)_擊或震動等，也都可能使其不動作電流值發(fā)生改變?？傊?，由于直流繼電器直接串聯(lián)在直流檢測回路之中，其機，電特性等的變化，必然要影響整個檢漏繼電器的動作電阻值。結(jié)果，使其動作電阻值的分散性較大，準確性較差。.2選擇性問題采用附加直流電源進行工作的檢漏繼電器，存在動作沒有選擇性的問題，因為在整個供電電網(wǎng)的任何地方發(fā)生了漏電故障，直流檢測電流都可能形成通路，使檢漏繼電器跳閘。因此，沒有必要在同一電網(wǎng)中同時裝設(shè)兩臺以上的檢漏繼電器。即使裝了，一

30、旦漏電，它們也必然會一起動作，不可能有選擇性。 零序電壓的保護原理.1 保護原理當三相電網(wǎng)對地的阻抗不平衡時，盡管電源電壓對稱，也會使三相電網(wǎng)的對地電壓不對稱。這主要是由于三相電網(wǎng)對地出現(xiàn)了零序電壓的大小，來反映三相電網(wǎng)對地阻抗的不平衡程度，亦即了解各相對地絕緣損壞的情況，這就是零序電壓的保護原理。在具體做法上，又有下列幾種保護方式：(1) 反映三相電網(wǎng)對地電壓不平衡性的絕緣監(jiān)視裝置在低壓電網(wǎng)中，有時利用三個信號燈（見圖3-4a）或三個電壓表（見圖3-4b）直接反映三相對地電壓的不平衡性。固然，用三個信號燈的明亮程度，來反映三相電網(wǎng)對地電壓的大小是可以的，但它不如三個電壓表分別指示三相電網(wǎng)的對

31、地電壓來的精確?？墒牵蚱湓O(shè)備簡單，使用方便，特別是對于直接接地故障，具有很好的分辨能力，因此，三個信號燈的接線方式，仍然可以作為一種絕緣監(jiān)視裝置。上述兩種反映不平衡電壓的絕緣監(jiān)視裝置，不僅能反映電網(wǎng)對地阻抗的不平衡狀態(tài)，而且可以指出哪一相發(fā)生了接地故障，便于判斷故障相別，是其優(yōu)點。這對于地面的架空電網(wǎng)是很有用的。但對于井下電纜電網(wǎng)，則無此必要。為了保證安全，信號燈和電壓表的內(nèi)阻都是要求越高越好。因此，信號燈最好是采用氖燈，并且串聯(lián)以大的限流電阻R（見圖3-4c）(2) 反映零序電壓的絕緣監(jiān)視裝置由于礦井中沒有必要反映故障相別，故可進一步簡化電路結(jié)構(gòu)，只使用一個氖燈，并將其連接在由三個大電阻R

32、組成的人為中性點與地之間（見圖3-5a），這才是真正反映零序電壓大小的絕緣監(jiān)視裝置。在實踐中，人們甚至只在一小段橡套電纜外面包一層金屬套，并在該套與地之間接入一氖燈（3-5b）,也可以同樣起著絕緣監(jiān)視作用。此種方法更為簡單，而且在瓦斯礦井中也可以使用。上述種種絕緣監(jiān)視裝置，只能以信號的形式反映出來，不能作用于跳閘，因此，只能在有人值班的地方使用。(3) 反映零序電壓的漏電保護裝置為了作用于跳閘，人們常在由電阻R（或三相電抗器）組成的人為中性點與地之間，接入繼電器J（分別見圖3-6 a和b）。在繼電器選定以后，它的動作電壓值（或電流值）便是定值。當漏電故障發(fā)生以后，加于繼電器上的零序電壓值達到或

33、超過繼電器的動作電壓，它便會動作，使開關(guān)跳閘。值得指出，由于電阻R的存在，零序電流流過它，必然會產(chǎn)生零序電壓降，因此，作用于繼電器J上的零序電壓，并不是電網(wǎng)的實際零序電壓。此時的值為：顯然，R值越大，值越小。為了使值增大，最好采用由零序阻抗較小的三相三柱式電抗器SK組成人為中性點，其零序電壓降就會變得較?。ㄒ妶D3-6b）。不過這將使由此回路入地的零序電流值增大，對安全不利。因此，有時還不得不在人為中性點與地之間接入較大的限流電阻。由于電流受到限制，繼電器只好經(jīng)過放大器以后，才能正常工作。其原理圖如圖3-6c所示。.1零序電壓的取出方式(1) 由變壓器中性點與地之間取出（見圖3-7a）；(2)

34、由人為中性點與地之間取出（見圖3-7b）;(3) 由電壓互感器二次側(cè)開口三角形中取出（見圖3-7c）；由變壓器中性點取出零序電壓的方式是最簡單的一種，但它只能適用于變壓器中性點有引出端子的情況。對于變壓器中性點禁止接地的供電系統(tǒng)，此種方式不便使用，只好采取第二種方式。其實，這第二種方式與第一種方式的工作原理完全是一樣的。它們之所以采用電阻聯(lián)接方式，除此比較簡單以外，就是所取出的零序電壓信號與實際的零序電壓之間只有大小變化，而無相位差別。圖3-7 零序電壓的取出方式.2零序電壓保護裝置在使用中存在的幾個問題( 1）動作電阻值不固定零序電壓保護裝置反映的是零序電壓的大小，只要零序電壓達到某個給定的

35、數(shù)值，該保護裝置便會動作?？墒?，對于三相電網(wǎng)來講，各種不同的對地阻抗值，都可以反映出相同的零序電壓。因此，同一個零序電壓保護裝置，其動作電阻可能有許多不同的數(shù)值。（3-3）式中 R單相漏電電阻只要保持某一比例關(guān)系，值總是會一樣的。為了使分析問題簡單起見，我們先不考慮電網(wǎng)的對地電容，于是，令，上式變成為：（3-4）其絕對值為： （3-5）顯然，在一定的情況下，不同的r值，便有許多的R值與之一一對應(yīng)，亦即電網(wǎng)對地將會有許多組的絕緣阻抗數(shù)值，都能使零序電壓保護裝置動作。也就是說，單相漏電的動作電阻值R不是固定的，而是隨絕緣電阻值r的變化而變化。不僅單相漏電如此，兩相漏電的情況也是這樣。在考慮電網(wǎng)對地

36、存在電容的情況下，上述結(jié)論也是正確的，只是此時的單相漏電和兩相漏電動作電阻值不僅與絕緣電阻值r有關(guān)，而且與電容值也有關(guān)系，也就是說，電網(wǎng)對地的電容值改變了，動作電阻值也隨之變化。不僅如此，隨著電容值的增大，零序電壓值便逐漸減小，零序電壓保護裝置的動作電阻值也就會降低，靈敏度下降。從式（3-5）還可以看出，當電網(wǎng)電容較小而絕緣電阻值r又較大時，零序電壓保護裝置的單相動作電阻值R便可能很大，這將給電網(wǎng)的正常運行帶來一定困難，也就是說，在電網(wǎng)的絕緣損壞并不十分嚴重的情況下，保護裝置卻已跳閘了?？偲饋碇v，零序電壓保護裝置實際上反映的是電網(wǎng)對地絕緣阻抗的相對不平衡情況，而不是絕對的數(shù)值。(1) 三相電網(wǎng)

37、對地阻抗對稱下降不會動作由于三相電網(wǎng)的對地阻抗對稱下降，甚至為零，也不會產(chǎn)生零序電壓，自然零序電壓保護裝置也就不會動作。因此，這樣的絕緣監(jiān)視裝置或漏電保護裝置，不能保證電網(wǎng)對地所必須絕緣水平，安全性是不可靠的。(2) 動作無選擇性在同一個電網(wǎng)中使用多臺零序電壓保護裝置，而且分別接地，就構(gòu)成了所謂的多點接地系統(tǒng)。盡管使用多臺，但各臺所反映的零序電壓卻是一樣的。因此，一旦發(fā)生漏電或接地故障，所有這些保護裝置都將動作，自然也就不會有選擇性。不僅如此，每接入一臺零序電壓保護裝置，電網(wǎng)對地的阻抗值就要降低一些，接入的臺數(shù)越多，阻抗就越低，結(jié)果，漏電動作電阻值也要隨之降低。因此，即使是同一電網(wǎng)，接入的零序

38、電壓保護裝置的臺數(shù)不同，動作電阻值也就不一樣。臺數(shù)越多，動作電阻值越小。(3) 只能在變壓器中性點非直接接地的供電系統(tǒng)中使用如前所述，零序電壓即可以由變壓器中性點或人為中性點取出，也可以由三相電壓互感器的二次側(cè)取出，其先決條件必須是變壓器中性點非直接接地。如果變壓器中性點直接接地，則中性點的對地電壓始終為零，零序電壓保護裝置便無法工作。因此，它只能使用在變壓器中性點非直接接地的供電系統(tǒng)中。 零序電流的保護原理.1 保護原理如上所述，在三相電網(wǎng)中，如果發(fā)生了非對稱的三相漏電故障，必然要產(chǎn)生零序電壓。有了零序電壓以后，如果又有零序電流回路，則將出現(xiàn)零序電流。該電流可以用零序電流互感器或零序電流濾序

39、器反映出來，并加以利用，使繼電器動作，這就是零序電流保護原理。圖3-8中所示的就是一種簡單的零序電流保護裝置原理圖。圖中所示的變壓器中性點是不接地的，零序電流通路由電網(wǎng)對地的絕緣電阻r和電容C構(gòu)成。當單相接地故障發(fā)生時，在零序電流互感器LLH的一次側(cè)中流過的是三倍零序電流3 ，在它的二次側(cè)繞組中便感應(yīng)電勢，然后，經(jīng)過整流管D整流后，便可以使靈敏的直接繼電器J動作，這就是零序電流保護原理。3.2.6 零序電流方向保護原理在一相漏電或接地時，各個分支線路中的零序電流不僅大小相同，而且方向也不一樣。對于故障線路，零序電流是由線路流向母線的，而非故障線路，則是由母線流向線路。如果按照一般的規(guī)定，由母線

40、流向線路的零序電流為正，那么，由線路流向母線的零序電流便為負。于是，我們可以利用零序電流的方向不同來區(qū)分故障線路和非故障線路，達到選擇性保護的目的，這就是零序電流方向保護原理。以此原理做成的漏電保護裝置，叫做零序電流方向保護裝置，其外部接線如圖3-10b所示。圖中LFJ為零序電流方向保護原理，LLH零序電流互感器；R電阻，由它們組成人為中性點，以提供零序電壓信號。 由于各分支線路中的零序電流為：因此，它們都是電容性的，超前于零序電壓的相位角不到，而且大小和相位也可能不等，如圖3-11a所示。但是，當時，上述各式將變?yōu)椋猴@然，這些電流的相位都相同，超前于，其相量示于圖3-11b中。若假定故障線路

41、的零序電流為，并且也是由母線流向線路，那么，它必然是非故障線路零序電流之和，而相位相反，即：于是，故障線路的零序電流便滯后（見圖3-11b）。如果按照一般規(guī)定，所有零序電流互感器的始端都接母線，那么在忽略零序電流互感器和零序電壓互感器的角誤差情況下，非故障線路的二次電流和仍然超前于二次電壓，而故障線路的二次電流則仍滯后于，其相量圖示于圖3-11c中在設(shè)計零序電流保護裝置時，通常都是將零序電流互感器二次側(cè)輸出的電流信號和零序電壓互感器二次側(cè)輸出的電壓信號，同時送給零序電流方向保護裝置，并以零序電壓信號為基準進行相位比較。對于具體的保護裝置來講，比較相位的方法很多，一般都將零序電壓的相位向前移一定

42、角度，同時，所有的零序電流互感器的二次輸出端子全部反接，即始端接到保護裝置的終端，而終端接到保護裝置的始端，讓保護裝置中的零序電流全部反相。這樣，故障線路中的零序電流雖然由線路流向母線，然而在保護裝置中零序電流和零序電壓卻正好同相位，故能動作。而非故障線路中的零序電流和零序電壓的相位恰恰相反，卻不能使保護裝置動作。以這樣的方法進行相位比較，就能夠準確地判斷出故障線路和非故障線路，達到選擇性漏電保護的目的。4 MATLAB仿真模型的建立及原理應(yīng)用4.1 MATLAB仿真4.1.1 零流方向保護原理圖4.1.2 MATLAB仿真圖圖4-2 零序電流方向原理MATLAB仿真圖4.2 選擇性漏電保護裝

43、置選擇性漏電保護裝置是指保護裝置動作時僅將發(fā)生漏電故障線路的電源切斷，保證系統(tǒng)其余部分正常工作。一個供電系統(tǒng)漏電保護的選擇性包括兩層含義：一是上下級漏電保護的縱向選擇性，一般采用漏電保護動作時限級差來實現(xiàn)，一般上一級漏電保護比下一級漏電保護的動作時限大一個時限階段；二是同一級各配出線路漏電保護之間的橫向選擇性，一般可采用零序電流保護和零序功率方向保護原理實現(xiàn)。本文采用零序電流方向保護原理來實現(xiàn)，重點研究漏電保護的橫向選擇性。如XL-型礦用選擇性漏電保護裝置。它為兩級選擇性漏電保護裝置，采用組件式結(jié)構(gòu)，在饋電開關(guān)中加裝KXL-DW組件，在總饋電開關(guān)的JY82型檢漏繼電器中加裝KXL-JY組件即可

44、形成總饋電開關(guān)和分支饋電開關(guān)兩級選擇性漏電保護裝置。選擇性漏電保護由安裝在各分支饋電開關(guān)中的KXL-DW分檢組件實現(xiàn)。它由電源變壓器T1、T2、零序電流互感器CT、信號板XHB、選漏板XLB，繼電器板JQB及脫扣線圈YA等組成。采用零序電流方向原理判斷故障支路。圖4-5中R1、R2、R3、R4組成人為中性點，取得零序電壓信號，經(jīng)C1、R5組成的移相電路移相后送入IC11、R8、R9組成的整形電路，將正弦波變換成方波。零序電流信號由零序電流互感器CT取得，此信號送入由IC12、R12、R13組成的整形電路中，將正弦波轉(zhuǎn)換成方波。兩方波送入由V7、R15、R16、V8、R17、R18、C5組成的積

45、分電路，進行比相，如零序電流方波由故障線路的零序電流產(chǎn)生，則此兩方波滿足設(shè)定條件，C5充電，UC5升高，經(jīng)IC13、R21、R22組成的幅度鑒別電路進行鑒別，如滿足幅度要求則IC13送出一脈沖信號。此脈沖信號送入由IC14、C6、R23、C7、R26、V14、V15、R31、R32組成的單穩(wěn)電路，展寬到2001000ms的脈沖方波經(jīng)與門V19、V10的V19+端，V19截止。同時零序電壓經(jīng)R1、R2、R3的中性點取得直流信號（交流經(jīng)C9旁路）送入由IC22、R19、R20組成的幅值鑒別電路進行鑒別，如電位高于給定值，則IC22輸出高電平，與門V10截止，VT由15V+R29VTbe0V取得基極

46、電流而導通，繼電器1K有電動作，接點1K1閉合，脫扣線圈YA有電，QA（DW）開關(guān)跳閘，故障線路切除。4.2.1旁·直·零式低壓選擇性漏電保護系統(tǒng)方案1）系統(tǒng)組成欲對井下低壓供電單元設(shè)置具有全面、安全、可靠及有選擇性的漏電保護系統(tǒng)，要考慮樹種漏電保護方式配合使用，以吸取各種保護方式的優(yōu)點，如直流檢測式的全面性旁路接地式的安全性、零序功率方向保護式的選擇性等，并使之有機的結(jié)合起來，才能獲得理想的保護效果。針對列出的井下低壓供電單元電氣模型，旁·直·零式選擇性漏電保護系統(tǒng)的組成與保護設(shè)置如圖所示。該系統(tǒng)設(shè)置了一下五種保護單元或插件；G附加三相接地電容器組PL

47、 旁路接地式漏電繼電器JY直流檢測式漏電保護插件UI零序功率方向式漏電保護插件JB直流檢測式漏電閉鎖插件（1）附加三相接地電容器一組。附加三相接地電容器組是零序功率方向式選擇性漏電保護所需求的，若不設(shè)置附加電容器組，則當供電單元只剩下一條支路運行時，方向保護插件將不起作用。該電容器組每組取值為0.20.25uf，電容器耐壓值應(yīng)大于750V，它裝設(shè)于總開關(guān)1DW內(nèi)，其星行點連于接地網(wǎng)。（2）旁路接地時漏電繼電器一臺。旁路接地亦接地亦叫做強制接地，主要作用是保證系統(tǒng)的安全性，是其在任何情況下人身觸電的動作安秒值都不超出30mA·s的規(guī)定并顯著降低單相漏電處入地的電流，當供電單元中任何地方

48、發(fā)生單相漏電或者人身觸電時旁路接地式繼電器快速動作，使故障相在總開關(guān)處可靠接地漏電電流絕大部分在總開關(guān)處經(jīng)接地網(wǎng)入地的電流。當供電單元任何地方發(fā)生單相漏電或者人身觸電時，旁路接地式繼電器，使故障相在總開關(guān)處可靠接地，漏電電流絕大部分在總開關(guān)處經(jīng)接地網(wǎng)入地，而故障點或者人身觸電的電流則變得很小，故此漏電跳閘時間允許延長。正是因為設(shè)置了旁路接地保護，才使得靠近延遲的縱向選擇性得以實現(xiàn)，而不影響系統(tǒng)的安全性，并對于供電單元的饋電開關(guān)和磁力啟動器的跳閘速度無過高要求，從而有利于設(shè)備的技術(shù)改造。(3)直流檢測試漏電保護插件一塊。該插件根據(jù)漏電保護設(shè)計理論，但要取消電容電流補償電路，并曾設(shè)延時電路，令動作

49、成分啟動器和跳閘兩步，延時1.22S，既一旦來彌補方向試漏電保護的動作死區(qū)。此時，動作不延遲，以提高安全性。(4)零序功率方向試漏電保護插件若干。若這種插件根據(jù)方向保護的基本原理設(shè)計，但一般采用零序電壓、電流的絕對值比較做出口，以利于系統(tǒng)的配合零壓零流的需要。零序零流啟動、零序維持的含義是：保護插件啟動需要零序有一定幅值的零序電壓即可。在2DW5DW、1QC10QC中應(yīng)各裝設(shè)一塊方向試漏電保護插件、其漏電啟動時間20ms，但跳閘指令的發(fā)出有不同的延遲：1QC10QC為0.30.5s,5DW為0.61.0s,2DW4DW為0.91.5s,5DW為0.61.0s，2DW4DW為0.91.5s。這樣

50、既能保證任何開關(guān)的跳閘都在旁路接地繼電器動作之后，又能滿足系統(tǒng)的縱、橫向均有選擇性的要求，不同的延時性能治需將該插件的個別元件參數(shù)加以 改變就可以滿足。0.3、0.6、0.9、s延時序列適用于由真空型饋電電開關(guān)及磁力矩啟動器所組成的宮殿系統(tǒng)，0.5、1.0、1.5S延時序列用于老式開關(guān)及啟動器所組成的供電系統(tǒng)。（5）直流檢測式漏電閉鎖插件若干。該插件的電路設(shè)計比較簡單，最好的玉零序功率方向是保護合為一個插件，這樣的元件可以共用，并能減少插件間的連接的總體積。當開關(guān)與起動器合閘前負荷側(cè)有漏電故障存在時，它的出口繼電器閉鎖各控制的饋電開關(guān)與磁力矩啟動器，使之合不上閘。低壓總開關(guān)由于分、合閘操作很少，而且控制保護的線路極短，故不必設(shè)置漏電電閉單元。2）保護原理及配合該漏電保護系統(tǒng)可參考上圖，旁直零式選擇性漏電保護的性能比較完善，漏電跳閘對于供電單元來說，縱向和橫向都有選擇性；各種情況下的漏電故障均滿足30MA的要求，是人身觸電電流小于10MA，并能使消除電后電動機反電勢和電網(wǎng)電容放電對人身及礦井的危害，具有較高的安全性；由于在開關(guān)處設(shè)置了直流檢測式漏電保護插件，因而各級開關(guān)、啟動器的方向試漏電保護至少獲得一級后備保護，并使得整個漏電保護系統(tǒng)消除了