新型煤礦低壓選擇性漏電保護研究

摘要：礦井主要高壓供電線路上必須安裝有選擇性的單相接地保護裝置，保證在高壓線路出現單相接地時接地電流超過安全電流時能夠立即切斷線路供電，保證供電安全。文章針對煤礦低壓供電系統中選擇性漏電保護存在的問題，著重介紹了新型選擇性漏電保護在中性點不接地系統的使用。

關鍵詞：煤礦低壓供電系統；漏電保護；選擇性漏電保護；高壓供電線路；供電安全 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM774 文章編號：1009-2374（2015）16-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.012

1 問題的提出

第一，根據《煤礦安全規程》相關要求：礦井主要高壓供電線路上必須安裝有選擇性的單相接地保護裝置，保證在高壓線路出現單相接地時接地電流超過安全電流時能夠立即切斷線路供電，保證供電安全。在井下低壓供電線路上，必須裝設選擇性漏電保護裝置或者檢漏保護裝置，并保證其正常運行，當線路出現漏電現象、線路絕緣電阻下降到指定數值后，該裝置保證能夠自動切斷漏電的供電線路，在保證供電安全的前提下減少事故影響范圍。

第二，井下低壓供電系統中常用的漏電保護有三種，分別是漏電保護（非選擇性）、選擇性漏電保護及漏電閉鎖保護。漏電保護（非選擇性）是采用附加直流電源法；選擇性漏電保護是取零序電流和零序電壓兩種信號，若零序電流滯后零序電壓近90°，則該支路為故障線路；漏電閉鎖則是在開關合閘前通過對負載設備進行檢測，若檢測設備絕緣值低于設定值則該開關拒絕啟動。

第三，漏電保護（附加直流）跳總開關，停電面積大；選擇性漏電保護設置在分開關上，只跳漏電支路。但當供電網絡分布電容大到一定程度時，零序電壓就降到取不出信號，無法起到漏電保護的作用。

2 選擇性漏電保護

附加直流電源漏電保護的缺點是沒有選擇性，只有安裝在變壓器低壓側總電源開關處。這樣當低壓電網任一點發生漏電時，都會引起總開關跳閘，使整個低壓電網停電，停電范圍大，尋找故障點所需花費的時間較長，對生產的影響也大。由于礦井供電線路使用的是變壓器中性點不接地的供電方式，因而可以安裝選擇性漏電繼電器。選擇性漏電保護具有橫向選擇性，彌補了漏電保護的不足，即只切斷漏電故障支路的供電電源。

2.1 基本原理

由變壓器中性點不接地電網分析可知：當電網正常運行時，各相對地電壓對稱，電網無零序電壓，也無零序電流；當電網發生不對稱漏電時，各相對地電壓不再平衡，電網出現零序電壓U0，因而必有零序電流I0。選擇性漏電保護的原理就是利用零序電流實現不對稱漏電保護的。它利用零序電流互感器LH作為漏電檢測元件。該元件由環形鐵芯、二次繞組和穿過鐵芯的三相電纜芯線三部分組成。圖1為放射式中性點不接地系統單相接電時的零序電流分布：

在多支路放射式電網中，如果某一支路發生單相漏電，則所有支路都將有漏電電流流過，且漏電電流I0等于各條支路的零序電流之和。但是漏電支路的零序電流的方向和大小都與非漏電支路的零序電流大小和方向是不同的。各條非漏電支路的零序電流的總和與漏電支路的零序電流之差為流經漏電支路的零序電流，而非漏電支路中只有本支路的零序電流。除此以外，漏電支路中的零序電流的方向是由負荷側流向電源，而非漏電支路零序電流的則由電源流向負荷側并入地，兩者相位是相反的，前者I0滯后U090°，后者則超前U090°。

2.2 零序電流方向式選擇性漏電保護

零序電流方向式選擇性漏電保護的原理是：判斷是否發生漏電可以利用零序電流的幅值和零序電壓的幅值大小來判斷電網內是否發生漏電，同時利用各支路的零序電流的相位與零序電壓的相位關系來判斷漏電支路，然后動作，有選擇性、有針對性地將有故障的支路電源切除。零序電流方向式選擇性漏電保護原理方框圖：

保護構成原理圖如圖所示，當某支路發生不對稱漏電故障時，各支路都將取得I0和U0信號，經放大整形后，由相位比較電路進行相位比較鑒別，I0滯后U0近90°的支路為漏電支路，選擇出故障支路后推動執行電路動作，從而可以切斷存在漏電故障的支路，實現橫向選擇性漏電保護。

3 雙零序電流方式選擇性漏電保護

第一，采用判別零序電壓和零序電流的幅值和相位的零序電流方向式選擇性漏電保護存在一個問題。由于現在井下用的電纜大部分采用了屏蔽型，分布電容大，由原來的0.69微法左右上升到4微法左右，于是零序電壓受分布電容的增大而急劇下降，下降到起不到大小和方向比較的能力，使得此方法失效。由于該技術中選擇性漏電保護是基于零序電壓和零序電流組成的功率方向性的原理，零序電壓的來源是三相電抗器的中心點對地高阻抗兩端，由于半導體屏蔽電纜對地分布電容的增大，導致零序電壓大幅度下降，從而導致了零序電壓失去檢測能力。

第二，在放射式電網中，當發生漏電故障時，漏電支路的零序電流的方向和非漏電支路不同。在漏電支路中零序電流的方向是由負荷側流行電源，而非漏電支路零序電流的則由電源流行負荷側并入地，兩者相位是相反的。利用該特點實現橫向選擇性漏電保護功能的方法稱為雙零序電流方式選擇性漏電保護。

第三，雙零序電流方向檢測方式是在每臺饋電開關內的電源側設置一個不漏電時零序電流矢量電路，即帶方向的零序電流。在開關的負荷側仍設置一個零序電流互感器，當發生系統漏電時，所有分路都有零序電流，但無漏電支路的零序電流與電源側的零序電流方向是相同的，而有漏電的支路的零序電流與電源側的零序電流方向是相反的。顯然方向相反的分路開關跳閘，方向相同的分路開關不跳閘，實現了選擇性跳閘。井下供電系統電路圖如圖5，KZ代表總開關，KF代表分路開關。雙零序電流方向原理示意圖如圖3，圖中A、B、C是三相電源線，LI2是每臺饋電開關內負荷輸出線套路的零序電流互感器，LI1與小電容C組成無漏電狀態的產生零序電流的電路。

第四，利用饋電開關KF負荷側的漏電支路和電源側的非漏電支路的零序電流方向相反的原理從而判定出漏電支路。在饋電開關內的電源側設置了電容C接地的參考支路A2、B2、C2，同一饋電開關被測負荷支路為A1、B1、C1；當被測三相支路A1、B1、C1和參考三相支路A2、B2、C2中的零序電流方向相反時，則可以判斷A1、B1、C1存在漏電故障，從而雙零序電流選擇性漏電保護消除了電網分布電容過大所帶來的影響。圖3為檢測端的示意圖，圖4為檢測信號處理電路的示意圖。參見圖4，本實施例中設置檢測信號處理電路，當檢測信號處理電路被檢測支路的零序電流互感器LI2和參考支路的零序電流互感器LI1檢測的零序電流方向相反是輸出漏電控制信號。

4 該選擇性漏電保護的效果

該雙零序電流方式選擇性漏電保護與零序電流方向式選擇性漏電保護及現有技術相比，存在以下效果：

第一，該選擇性漏電保護的原理為：利用饋電開關的電源側非漏電支路的零序電流方向與該饋電開關負荷側的漏電支路的零序電流相反來判斷漏電的被測三相支路。該方法中，并非只是考慮零序電流的大小，而是只要存在有零序電流的情況下就不會失去檢測能力，從而可以達到選擇性漏電保護的目的，經現場試驗，該檢測方法完全

可以滿足現場保護的要求，而不會出現誤動作的情況。

第二，為了取電源側支路零序電流，便與本開關負荷側支路零序電流的方向做比較，該選擇性漏電保護中參考了零序電流互感器設置，從而更準確地判斷出本支路是否漏電，只有本饋電開關的負荷側有漏電的情況發生，兩個電流方向才會相反。雖然電阻接地，也能取得零序電流，但影響網路對地絕緣值，不可取，電容C的設置則是為了產生非漏電的零序電流，否則無法取非漏電零序電流。

該新型選擇性漏電保護解決了當供電網絡分布電容大到一定程度時，現選擇性漏電保護就無法起到漏電保護作用的問題，值得參考。

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作者簡介：夏西進（1965-），男，山東新泰人，山東能源新礦集團翟鎮煤礦副總工程師，工程師，研究方向：煤礦機電、運輸。

（責任編輯：周 瓊）