一種零序功率選擇性漏電保護(hù)方法

當(dāng)前我國(guó)煤礦井下采掘工作面多設(shè)置有移動(dòng)變電站，為滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，通常在移動(dòng)變電站低壓側(cè)安裝饋電總開(kāi)關(guān)[1]。饋電總開(kāi)關(guān)中零序電抗器會(huì)對(duì)低壓電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)零序電抗器對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償程度的不同可分為欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償3種狀態(tài)[2]。目前煤礦低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置多采用零序功率方向選線原理，即利用故障支路零序電流超前零序電壓90°、非故障支路零序電流滯后零序電壓90°的原理實(shí)現(xiàn)保護(hù)[3-6]。該保護(hù)原理是建立在電網(wǎng)零序等效阻抗為純?nèi)菪缘幕A(chǔ)上[7-9]，而零序電抗器的補(bǔ)償改變了電網(wǎng)等效阻抗[10-11]，使故障支路零序電流幅值更小且相位發(fā)生變化，導(dǎo)致漏電保護(hù)裝置可靠性降低。本文設(shè)計(jì)了一種礦用低壓漏電保護(hù)裝置，該裝置通過(guò)采集零序電壓和支路零序電流，比較各支路零序電流與零序電壓相位差，以此作為故障選線判據(jù)。

1 裝置工作原理

零序電抗器并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。假設(shè)l3支路C相經(jīng)過(guò)渡電阻RD發(fā)生單相接地故障。LH1，LH2，LH3分別為支路l1，l2，l3的零序電流互感器;R1，R2，R3和C1，C2，C3分別為支路l1，l2，l3絕緣電阻和對(duì)地電容;

為支路l3對(duì)地電容電流;L為零序電抗器;R為零序電抗器并聯(lián)電阻;

分別為流過(guò)R，L的電流。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，各支路三相絕緣電阻、對(duì)地電容均相等。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)式(3)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)絕緣電阻的連續(xù)監(jiān)測(cè)。當(dāng)人身觸電或發(fā)生漏電故障使r達(dá)到裝置動(dòng)作設(shè)定值時(shí)，電路可迅速將電源切除。另外，即使電網(wǎng)的絕緣電阻均勻下降，仍可將此故障現(xiàn)象檢測(cè)出來(lái)，這是附加直流電源漏電保護(hù)的一大優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于總饋電開(kāi)關(guān)而言，它已經(jīng)能滿足漏電保護(hù)的要求。但是，利用附加直流電源實(shí)現(xiàn)的漏電保護(hù)裝置不具備選擇性，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生漏電故障時(shí)，該裝置都會(huì)無(wú)選擇性地動(dòng)作。

1.2 零序功率選擇性漏電保護(hù)原理

選擇性漏電保護(hù)是利用零序電壓與零序電流的相位判別原理來(lái)完成的。當(dāng)電網(wǎng)某一相發(fā)生漏電時(shí)，故障支路的零序電流與非故障支路的零序電流相位相反，相對(duì)零序電壓而言，故障支路零序電流滯后90度，而非故障之路零序電流則超前90度。其相位圖如圖2所示。

本文所采用的方法是將零序電壓相位向后移90度，以使故障支路的零序電流信號(hào)與移相后的電壓信號(hào)同相，而非故障支路的零序電流與移相后的電壓信號(hào)則反相。由此可見(jiàn)，根據(jù)零序電壓和零序電流的方向，即可判斷出故障支路，從而采用保護(hù)措施。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文以二分支井下電網(wǎng)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本方案在總開(kāi)關(guān)中使用附加直流源原理，而在分支1和分支2中均采用選擇性漏電保護(hù)原理來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)。

2.1 附加直流源漏電保護(hù)設(shè)計(jì)

圖1中，附加直流源的輸出信號(hào)為U1，將U1的值通過(guò)線性光耦以及調(diào)理電路后送入AD采樣，再通過(guò)單片機(jī)對(duì)其電壓大小進(jìn)行判斷，這樣，當(dāng)發(fā)生漏電時(shí)，絕緣電阻降低，U1的值增大，從而可根據(jù)U1的值來(lái)判斷是否漏電。

2.2 選擇性漏電保護(hù)設(shè)計(jì)

礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)的選擇性漏電保護(hù)是指當(dāng)?shù)V井低壓電網(wǎng)中某條支路的某一相發(fā)生人身觸電、單相對(duì)地放電或單相對(duì)地漏電流時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)檢測(cè)出漏電故障并作用于跳閘，從而有選擇性地切斷故障線路，但仍可保證非故障線路安全運(yùn)行的保護(hù)設(shè)施。

圖4所示為零序功率方向式選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的原理示意圖。當(dāng)電網(wǎng)漏電時(shí)，可由取樣電路分別從電網(wǎng)中取出零序電壓信號(hào)和零序電流信號(hào)，然后經(jīng)放大整形，再由過(guò)零比較電路來(lái)判斷故障支路，最后啟動(dòng)執(zhí)行電路，以切斷故障支路的電源，實(shí)現(xiàn)有選擇性的漏電保護(hù)。零序功率方向式選擇性漏電保護(hù)方式具有很強(qiáng)的橫向選擇性，可以選擇性地進(jìn)行漏電保護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)主開(kāi)關(guān)和分開(kāi)關(guān)的選擇。它通過(guò)單片機(jī)控制外部電路，以便在主漏電電路和分漏電電路之間進(jìn)行切換，從而在一套系統(tǒng)上兼容主開(kāi)關(guān)和分開(kāi)關(guān)功能，同時(shí)可發(fā)出漏電故障報(bào)警并控制顯示電路。其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。