金屬與非金屬礦山低壓漏電保護新技術的研究

王小華，張敏艷

(溧陽市福沃特電力自動化有限公司， 江蘇 常州市 213300)

金屬與非金屬礦山低壓漏電保護新技術的研究

王小華，張敏艷

(溧陽市福沃特電力自動化有限公司， 江蘇 常州市 213300)

分析了中性點不接地系統常規的低壓漏電保護原理和金屬與非金屬礦山低壓系統的特點，指出金屬與非金屬礦山低壓漏電保護應用中存在的問題及其產生的原因，提出了一種滿足金屬與非金屬礦山低壓系統需求和符合國標要求的新的漏電保護原理，以及應用這種原理生產的漏電保護設備，可以實現變電所出線和設備終端分級選擇性漏電保護。

低壓；漏電保護；電力設計；漏電裝備

《礦山電力設計規范》(GB50070-2009)關于漏電保護規定“低壓配電IT系統均應裝設絕緣監視裝置”, 當“預期接觸電壓超過36 V時，防護裝置應迅速地切斷故障線路”。這提出了兩方面的要求：一是明確要求金屬與非金屬礦山低壓系統安裝漏電保護設備；二是明確指出接觸電壓是確定漏電保護動作于發信或跳閘的依據。

近年來，新建礦山都增加了漏電保護的設計，老礦山也相繼進行了漏電保護改造。但是由于沒有滿足金屬與非金屬礦山要求的漏電保護設備，普遍存在選型不正確的問題：錯誤地使用了四極型斷路器漏電保護、盲目使用其他領域的漏電保護。絕大多數金屬與非金屬礦山的低壓系統未能實現有效的漏電保護。

GB50070-2009增加了接觸電壓作為確定漏電是否跳閘的依據，這是根據保護人身安全電壓確定的。但是接觸電壓如何計算，與哪些因素有關，目前還未見監測接觸電壓的漏電保護的研究成果。金屬與非金屬礦山低壓不接地系統需求的漏電保護是礦山供電亟需研究的課題。

1 中性點不接地系統常見漏電保護原理

1.1 漏電電阻檢測原理

中性點不接地系統判斷漏電依據是系統對地電阻，在不同電壓等級確定不同的漏電電阻動作值這是間接保證接觸安全電壓。在中性點不接地系統中漏電點電流是電容電流，《礦用隔爆型檢漏繼電器》中限制了系統電容，漏電電阻是決定接觸電壓的唯一因素。在電網中，漏電電阻不能直流測量，只能通過可以實測的量計算得到，漏電電阻檢測存在的問題是現有漏電保護技術可靠性差的主要問題。

漏電電阻的檢測的主要方法有“附加直流電壓法”和“零序電壓法”兩種，分別滿足總開關和分開關對動作時間的要求，《礦用隔爆型檢漏繼電器》規定總開關漏電保護動作時間是200 ms，分開關漏電保護動作時間是30 ms。

1.1.1 “附加直流電壓法”原理

“附加直流電壓法”的原理是歐姆定律。通過三相電抗器將直流電源疊加在系統中，漏電時直流電源通過漏電點和大地形成回路而產生直流電流，通過檢測直流電流根據歐姆定律直接計算出漏電電阻。

1.1.2 “零序電壓法”原理

零序電壓是中性點不接地系統漏電的顯著特征。在系統電壓和系統電容不變的前提下，零序電壓隨漏電電阻的降低而增加。在系統電壓和系統電容變化不大時，保護通過檢測零序電壓來估算系統漏電電阻。

1.1.3 現有漏電電阻檢測原理的缺陷

“附加直流電壓法”檢測漏電電阻響應速度慢。直流電源是通過一個感抗很大的三相電抗器接入系統的。由于電感電流不能躍變，響應速度至少在100 ms以上，因此“附加直流電壓法”只能用于總開關。

“零序電壓法”檢測漏電電阻精度很差。零序電壓成立的條件是系統電壓和系統電容的變化引起的零序電壓變化在漏電電阻允許誤差(20%)范圍內。

系統電壓與零序電壓成正比，系統電壓的變化范圍在75%～110%時，零序電壓誤差最大為25%，超出了漏電電阻20%的精度要求。

表1反應了系統電容對零序電壓的影響[2]。表中的數據是380 V系統經3.5 K漏電的計算結果。系統電容在標準規定范圍(0.1～1 uf)變化時，零序電壓變化約為3倍，即漏電電阻的誤差約為3倍。而不是20%。

表1 系統電容對零序電壓的影響

“零序電壓法”檢測漏電電阻的假設條件是錯誤的，盡管反應速度快，能滿足分開關對動作時間的要求，但因其精度很差，漏電保護不可能可靠動作。

由于動作時間的限制，總開關和分開采用2種精度相差懸殊的方法檢測漏電電阻，這是目前漏電保護可靠性差的根本原因。

1.2 選擇性漏電保護原理

現有選擇性漏電保護都是根據中性點不接地系統漏電后零序電流大小以及與零序相位關系實現的。圖1是3條支路向量圖，反應各支路零序電流大小相互關系和分別對零序電壓的相位關系。

圖1 中性點不接地系統漏電向量圖

(1) “零序電流大小法”：該原理的選擇性漏電保護是以“故障支路零序電流最大”為依據的電流繼電器。繼電器的定值設置要在非漏電支路和漏電支路的零序電流中找到平衡，保證前者不誤動，后者不拒動。

(2) 功率方向原理：該原理的選擇性漏電保護就是以“零序電流對零序電壓”相位判別器，零序電流超前零序電壓的支路是非漏電支路，零序電流滯后零序電壓的支路是漏電支路。

1.3 現有選擇性漏電保護原理的缺陷

“零序電流大小法”可靠工作的前提是:最小運行方式下系統對地電容電流的總和為最長線路的電容電流的3～4倍時。因此，“零序電流大小法”限制用于系統出線長短線懸殊的網絡。

零序電流的采樣元件零序電流互感器一次繞組只有一匝，決定了其伏安特性較差。非漏電短支路零序電流很小，一次電流在互感器伏安特性的拐點附近，其二次電流相位誤差很大。系統不平衡電流也會影響零序電流的相位。非漏電短支路和系統不平衡電流會引起功率方向原理誤判。

2 金屬與非金屬礦山低壓系統的特殊性

(1) 長短線更加懸殊。金屬與非金屬礦山低壓系統從分路開關到負荷的距離短到幾十米，長則幾公里。現有漏電保護技術的難題之一就是“長短線懸殊”的漏電保護，金屬與非金屬礦山低壓的長短線更加懸殊，選擇性漏電保護難度更大。

(2) 樹干式接線方式。金屬與非金屬礦山低壓供電一般采用樹干式接線方式，由配電裝置引出一條線路同時向若干個甚至幾十個用電設備供電，干線故障時影響范圍大。金屬與非金屬礦山低壓漏電保護必須保護到用電設備。

(3) 分散性漏電現象嚴重。金屬與非金屬礦山井下環境差，低壓供電接線質量差，隨意性大，分散性漏電現象比較普遍。至今沒有發現中性點不接地低壓系統分散性漏電的研究成果。

(4) 網絡大，電容電流大。《礦用隔爆型檢漏繼電器》規定系統電容不大于1 uf，這是針對煤礦制訂的。金屬與非金屬礦山低壓系統整個網絡達幾十公里，GB50070-2009規定“預期接觸電壓超過36 V時，防護裝置應迅速地切斷故障線路”，表明金屬與非金屬礦山低壓網絡系統電容要遠大于1 uf。系統電容大，流經漏電點的電流大，接觸電壓高，“零序電壓法”檢測漏電電阻受系統電容影響誤差更大，漏電保護可靠性更差，漏電將危及生命。

(5) 漏電意識淡薄，長期漏電運行。在調研金屬和非金屬礦山低壓系統過程中發現井長期帶故障運行是十分普遍的現象。不安裝漏電保護裝置可以帶故障運行，安裝了漏電保護裝置反而因保護動作停電影響生產，以致有些礦井即使安裝了漏電保護裝置也不投入運行，純粹應付安監部門檢查。

3 金屬與非金屬礦山低壓漏電保護使用 誤區

3.1 誤用中性點直接接地系統漏電保護

由于金屬與非金屬礦山一般沒有防爆要求，低壓設備直接使用地面中性點接地系統設備，以致漏電保護誤用了四極剩余電流斷路器。

四極剩余電流斷路器中零線必須穿過零序電流互感器，四極剩余電流斷路器漏電保護原理是基爾霍夫第一定律。正常時，零序電流互感器檢測到一次電流(三相線和零線)的電流矢量等于零，漏電時部分相電流流入漏電點，破壞了零序電流互感器電流平衡而使漏電保護動作。

中性點接地系統和中性點不接地系統發生漏電時的漏電電流性質不一樣，前者是相電流；后者是電容電流。中性點接地系統的漏電是電器外殼與火線間絕緣損壞程度的輕微，以區別于單相對地短路；中性點不接地系統的漏電和單相接地是一個概念在不同領域的不同名稱，在礦山稱為漏電，在電力系統稱為單相接地。

兩種接地方式漏電概念不同，互感器檢測到的漏電電流性質不同，漏電保護機理也不同，中性點直接接地系統的漏電保護不能用于中性點不接地系統。

3.2 盲目使用煤礦漏電保護

煤礦對漏電保護的要求很高，很多金屬與非金屬礦井采用煤礦低壓漏電保護使用效果不好的主要原因有以下幾方面。

(1) 煤礦漏電保護本身存在問題。如前所述，漏電電阻檢測的問題是煤礦漏電保護不能正確動作的根本原因。煤礦漏電保護用到金屬與非金屬礦山低壓系統，因系統電容大大增加，漏電電阻檢測誤差更大。

(2) 金屬與非金屬礦山低壓系統長短線懸殊現象比較常見， “零序電流大小法”無法用于“長短線懸殊”場合，而“功率方向原理” 則容易引起非漏電短支路誤動和受系統不平衡電流的影響。

(3) 金屬與非金屬礦山低壓系統是樹干式接線方式，漏電保護僅僅如煤礦那樣控制變電所里的總開關和分開關是遠遠不夠，需要進行多級控制，實現終端設備的漏電保護。

(4) 金屬與非金屬礦山低壓系統分散性漏電現象嚴重，現有煤礦漏電保護技術不能解決分散性漏電保護問題。

(5) 金屬與非金屬礦山電容電流大，要求以“接觸電壓”為漏電保護動作于跳閘和發信的依據，沒有一款煤礦漏電保護產品可以監測“接觸電壓”。

4 金屬與非金屬礦山低壓漏電保護新技術 的研究。

針對金屬與非金屬礦山低壓系統的特點，結合GB50070-2009對低壓漏電保護的新要求，進行金屬與非金屬礦山低壓漏電保護新技術的研究主要解決了幾個方面的問題。

4.1 “零序電壓修正法”檢測漏電電阻

零序電壓是關于“系統電壓、系統電容和漏電電阻”函數，其中，零序電壓是測量的量，漏電電阻是需要求的量，而系統電壓和系統電容是變化和未知的。零序電壓和漏電電阻對應關系受2個變化量嚴重影響，這是“零序電壓法”檢測漏電電阻誤差大的根本原因。

“零序電壓修正法”是通過對系統電壓和系統電容這2個是變化量進行實時監測，實時修正在上述函數關系中系統電壓和系統電容變化，使得零序電壓和漏電電阻是完全對應的關系。“零序電壓修正法”檢測漏電電阻不受系統電容和系統電壓對零序電壓的影響，速度和精度都得到保證，總開關和分開關統一用一個漏電電阻檢測方法，大大提高了漏電保護可靠性。

4.2 多種算法智能選擇，綜合決策

本保護技術采用3種選擇性漏電保護原理進行綜合決策，并結合3種算法的優缺點，智能地選擇適合具體系統的一種或幾種算法。

(1) “零序電流突變量法”：發生漏電時，非漏電支路零序電流互感器檢測到的漏電電流是本支路的電容電流，漏電支路零序電流互感器檢測到的漏電電流是非漏電支路電容電流之和。把各支路漏電電流和本支路原始的電容電流比較，非漏電支路基本不變，漏電支路發生了根本的變化，“零序電流突變量法”就是用這兩種電流的變化量來進行選擇性漏電保護。這個方法可以有效地解決長短線懸殊的漏電保護，缺陷是不適用于系統總的電容電流剛好接近一條支路電容電流兩倍的網絡。

(2) “功率方向原理”：原理前文已有表述，這一原理的缺陷是非漏電的短支路和系統不平衡電流會引起保護誤動。

(3) “零序電流相對大小比相法”：首先找出零序電流排名前三的3條支路，排除了非漏電短支路和不平衡電流對判據的影響；再比較上述3條零序電流的相對相位決策漏電支路。這一方法解決了前二種算法存在的問題，其缺陷是對支路數有限制:不得少于3條。

3種算法各有優缺點，任何一種算法都無法滿足全部漏電工況。本保護技術根據具體系統智能選擇適合本系統的算法，提高了選擇性漏電保護的可靠性。

4.3 分散性漏電保護原理

整個供電網絡中所有用電設備是并聯接線方式，并聯電路中電阻小的支路分流大。發生多點漏電相當于在相和地之間并聯了多個電阻，系統總電容電流分配到每條支路的多少是由各漏電支路的漏電電阻大小決定的，“漏電電流大者優先”原理保證漏電電阻最小的支路優先動作而實現分散性漏電保護。

4.4 接觸電壓的監測原理。

漏電電阻為零時的漏電電流計算公式為：

Ic=j3UωC

式中，U為系統相電壓；C為系統電容。

設定接地電阻10 Ω，GB50070-2009規定接觸電壓不超過36 V，則有：

30UωC<36,C<1.2/(Uω)。

380 V系統，計算得：C<17.37 uf。

本保護技術實時監視系統電容，系統電容大于17.37 uf則保護動作于跳閘，系統電容不大于17.37 uf，保護動作于發信。滿足GB50070-2009的要求，實現了對接觸電壓的監控。

4.5 終端漏電保護原理：

本漏電保護技術采用載波技術解決終端設備的漏電保護。漏電時，安裝在變電所的漏電保護主設備在系統中加入載波信號，該信號只經過故障支路，每個支路上的終端漏電保護通過檢測載波信號實現選擇性漏電保護。

4.6 滿足金屬與非金屬礦山低壓系統要求的漏電 保護設備

JD1000低壓漏電保護系統是專門針對金屬與非金屬礦山低壓系統設計，采用上述漏電保護原理的漏電保護設備。該系統由JD1000低壓漏電保護裝置和JDZ低壓漏電斷路控器兩部分組成，2種設備的安裝位置見圖2。

(1) JD1000低壓漏電保護裝置：該漏電保護裝置采用“零序電壓修正法”統一漏電電阻檢測，采用多種算法智能選擇和綜合決策的智能型選擇性漏電保護原理，實現長短線懸殊和分散性漏電的漏電保護，實現了對接觸電壓的監控。

圖2 JD系統設備配置

安裝在變壓器所在的變電所，是集中控制模式漏電保護裝置，實現對變壓器下的母線和支路選擇性漏電保護。

(2) JDZ低壓漏電斷路控制器：該設備和JD1000配合，運用載波技術實現終端設備的漏電保護。該設備已經把這種終端漏電保護技術和斷路器融合在一起，代替原來的斷路器，安裝在變電所出線的下級出線或用電設備終端的控制回路上，當發生漏電時，及時跳開漏電設備，最大限度地縮小停電范圍。

5 結束語

漏電保護是重要的電力保護設備，根據金屬和非金屬礦山低壓系統的特點研究漏電保護設備，實現中央變電所、采區變電所和負荷端的多級漏電保護，對提高供電可靠性和保護人身安全有十分重要的意義。目前JD低壓漏電保護系統已經在安徽金安礦業、金川集團股份有限公司、陜西太白金礦等金屬礦山廣泛應用，并取得了理想的使用效果。

[1] GB 50070—2009.礦山電力設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]王小華.低壓漏電保護新技術的研究[J].煤礦機電，2008(1)：52-56.

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2017-08-21)

王小華(1960-)，男，江蘇溧陽人，工程師，從事電力自動化方向的研究， Email：fwtxh@vip.163.com。