煤礦低壓系統(tǒng)中漏電檢測的研究*

王海王，馮豪

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

我國煤礦井下的低壓供電系統(tǒng)，普遍采用了三相變壓器中性點不接地系統(tǒng)。由于中性點不直接與大地連接，此系統(tǒng)電網(wǎng)即使發(fā)生單相接地，也不會與大地形成短路故障，可保護煤礦井下系統(tǒng)電網(wǎng)的安全運行。即使發(fā)生故障，煤礦井下用電設(shè)備在短時間內(nèi)也能正常運行，不會造成系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障后間接引起的二次故障，防止故障擴大[1]。因此,變壓器中性點不接地系統(tǒng)特別適合于煤礦井下低壓系統(tǒng)電網(wǎng)點多、工作面廣、用電設(shè)備復(fù)雜的地方，大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。但供電電纜對地存在分布電容，必須要保持供電電纜有較高的絕緣狀態(tài)[2]。比如,當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)生單相接地或單相經(jīng)過渡阻抗接地故障后，非故障相的相電壓將升高到線電壓。若不及時地檢測出系統(tǒng)電網(wǎng)的漏電故障，使系統(tǒng)電網(wǎng)長期在故障狀態(tài)下運行，則會破壞非故障相的電纜絕緣能力及降低用電設(shè)備的絕緣水平，造成絕緣擊穿。而漏電保護功能就是在人身漏電故障或系統(tǒng)供電電網(wǎng)對地絕緣能力下降時能立即切斷供電電源，起到保護用電設(shè)備及人身安全的重要作用。目前我國煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中，漏電保護功能主要采用零序電壓檢測和附加直流檢測的原理來實現(xiàn)。因此,本文著重通過零序電壓檢測和附加直流檢測的原理，比較兩種漏電保護方法的優(yōu)缺點。

1 零序電壓檢測原理

在煤礦井下變壓器中性點不接地供電系統(tǒng)電網(wǎng)中，由于正常情況下供電電纜對地絕緣狀況較好，供電電纜每相對地絕緣阻抗一致，故此時系統(tǒng)電網(wǎng)對地沒有零序電壓產(chǎn)生。只有當(dāng)供電系統(tǒng)電網(wǎng)中出現(xiàn)單相接地或漏電故障時，系統(tǒng)電網(wǎng)三相對地絕緣阻值不再一致，對地絕緣阻抗失去平衡，該系統(tǒng)電網(wǎng)中才會產(chǎn)生零序電壓。由此,零序電壓的檢測原理,主要是在供電系統(tǒng)電網(wǎng)漏電或供電電纜對地絕緣阻值下降時，利用零序電壓互感器檢測出系統(tǒng)電網(wǎng)對地的零序電壓。當(dāng)檢測出的零序電壓值達到漏電整定值時，必須切斷系統(tǒng)電網(wǎng)供電,以保證安全。

圖1為零序電壓的檢測原理。圖1中的T1為三相五柱式電壓互感器，其原邊繞組分別接到系統(tǒng)電網(wǎng)的三相，副邊繞組接成開口三角形，用來檢測系統(tǒng)電網(wǎng)漏電時對地的零序電壓U0[3]。rA、rB、rC分別為系統(tǒng)電網(wǎng)每相對地阻值，CA、CB、CC分別為系統(tǒng)電網(wǎng)每相對地電容。當(dāng)供電系統(tǒng)電網(wǎng)中未出現(xiàn)單相接地或漏電故障時，即rA=rB=rC，CA=CB=CC，供電電纜每相對地絕緣阻抗一致，此時系統(tǒng)電網(wǎng)對地沒有產(chǎn)生零序電壓U0。當(dāng)此系統(tǒng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地或漏電故障時，便有電流經(jīng)過其他兩相的對地絕緣電阻和電容構(gòu)成電流回路。

圖1 零序電壓檢測原理

U0的計算公式[4]:

(1)

式中:UA為漏電相的相電壓;Z0為每相的零序阻抗；rR為漏電相的人身電阻。

Z0的計算公式:

(2)

根據(jù)式(1)、(2)可以得出如下結(jié)論：供電系統(tǒng)電網(wǎng)對地漏電時產(chǎn)生的零序電壓，不但與漏電時的漏電電阻有關(guān)，而且與供電系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值和對地分布電容及電網(wǎng)的電壓有關(guān)。但在低壓系統(tǒng)電網(wǎng)中，漏電保護判斷漏電的指標(biāo)并不是零序電壓，而是對地漏電的漏電電阻。

由式(1)可以看出，零序電壓是關(guān)于電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、電網(wǎng)系統(tǒng)對地絕緣阻抗和漏電電阻的一個多變量函數(shù)。它隨漏電時漏電電阻的降低而增加。

根據(jù)MT 189—88《礦用隔爆型檢漏繼電器》的要求，系統(tǒng)電網(wǎng)電容在0.1～1.0 μF之間變化時,漏電電阻動作值誤差應(yīng)不大于±20%。在系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為1 140 V發(fā)生漏電的情況下，用660 V/42 V零序變壓器測得零序電壓采樣值與漏電電阻、系統(tǒng)電容的關(guān)系如表1所示。

表1 零序電壓與漏電電阻、系統(tǒng)電容的關(guān)系

根據(jù)MT 189—88中的規(guī)定，系統(tǒng)電網(wǎng)為1 140 V的單相漏電電阻動作值為20 kΩ。如表1所示：當(dāng)系統(tǒng)電壓相同、漏電電阻一樣時，零序電壓隨系統(tǒng)電容的增加而降低；在同樣是20 kΩ電阻漏電的情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)電容在0.10 μF和1.00 μF時，兩個零序電壓采樣值相差16.6 V；在漏電電阻為50 kΩ、系統(tǒng)電容為0.10 μF時，零序電壓采樣值為8.940 V，原本不應(yīng)該動作。但是其零序電壓采樣值在漏電電阻為40 kΩ以下時的采樣值范圍之內(nèi)，進入到了漏電阻值的動作區(qū)間，就會有可能造成保護器的誤動作。同樣的原理，在漏電阻值40 kΩ以下采集零序電壓時，原本保護器應(yīng)該動作，但有可能拒動。因此，采用零序電壓檢測法計算系統(tǒng)電網(wǎng)漏電時的對地漏電阻值，其檢測精度比較差，漏電電阻的動作值根本達不到MT 189—88的規(guī)定要求[5]。

同時,零序電壓檢測方法容易受到系統(tǒng)電網(wǎng)的干擾，即系統(tǒng)供電電纜長度、系統(tǒng)電網(wǎng)對地分布電容、系統(tǒng)電網(wǎng)對地絕緣狀態(tài)等都能干擾零序電壓的檢測[6]。因此,通過零序電壓檢測方法檢測出來的零序電壓值，經(jīng)常不能真實地反映出系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣情況，造成了漏電保護拒動或誤動的狀況。

2 附加直流檢測原理

附加直流檢測的原理,是在供電系統(tǒng)電網(wǎng)與大地之間施加一組獨立的直流電源。當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)與大地之間出現(xiàn)漏電故障或絕緣電阻出現(xiàn)下降時，施加在系統(tǒng)電網(wǎng)中的直流電流就會發(fā)生變化。通過對直流電流的計算可以得出系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值[7]。附加直流檢測原理如圖2所示。

在圖2中，SK為三相電抗器，輸入側(cè)接到系統(tǒng)供電電網(wǎng)中，輸出側(cè)為在檢測電路中人為制造中性點。當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)與大地之間出現(xiàn)漏電故障時，其附加直流電源U產(chǎn)生的電流I經(jīng)過電阻r1、三相電抗器SK的直流電阻rSK、三相對地絕緣等效電阻rε、電阻r2形成回路。通過對流經(jīng)故障點的直流電壓U1的計算可得出此系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值,即:

圖2 附加直流檢測原理

(3)

當(dāng)供電系統(tǒng)電網(wǎng)中的任意一項對地絕緣阻值下降時，由于系統(tǒng)電網(wǎng)對地的等效絕緣電阻的阻值rε是三相分別對地絕緣電阻的并聯(lián)阻值，故其下降的幅度要小于三相電阻同時下降的阻值。這樣,通過附加直流法檢測出來的rε就可以計算出系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值,即可通過對系統(tǒng)電網(wǎng)對地絕緣阻值的檢測來進行漏電保護[8]。

在附加直流電源檢測系統(tǒng)中，由于三相電抗器SK的存在，當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)對地絕緣下降或在漏電的情況下，會有交流電流經(jīng)過三相電抗器SK、電阻r1和r2，影響采樣電壓U1的精確度。另外，系統(tǒng)電網(wǎng)對地分布電容由于受到供電電纜長度、電纜絕緣材料及電纜放置方式等多種因素的影響，系統(tǒng)電網(wǎng)三相對地的分布電容不再是固定值。電容c1是將流經(jīng)三相電抗器SK的交流電流流入大地，使交流電流不會影響采樣電壓U1的精確度。由于旁路電容c1是固定值，系統(tǒng)電網(wǎng)三相對地分布電容的不確定性，經(jīng)常造成過補償或欠補償，影響采樣電壓U1的精確度。

通過對附加直流檢測法的漏電保護原理的分析可知,附加直流檢測法的漏電保護原理可以監(jiān)測整個供電系統(tǒng)電網(wǎng)的對地絕緣阻值，全面保護整個低壓供電電網(wǎng)系統(tǒng)，且保護動作無死區(qū);也符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的用系統(tǒng)電網(wǎng)的絕緣阻值作為系統(tǒng)電網(wǎng)絕緣能力下降或系統(tǒng)電網(wǎng)漏電的判斷依據(jù)[9]。

3 結(jié)論

漏電保護是煤礦井下安全供電的三大保護之一。在煤礦低壓供電系統(tǒng)電網(wǎng)中，由于井下工作環(huán)境和供電電纜長度等因素引起的分布電容的干擾，以及在變壓器三相中性點不接地的供電系統(tǒng)電網(wǎng)中的漏電電流較小，漏電保護裝置對漏電電流的檢測精度往往不高。采用零序電壓檢測法容易受到系統(tǒng)電網(wǎng)電容的影響，不能準(zhǔn)確測出系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值。而采用附加直流檢測法可以檢測出系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值。但由于檢測電路中的交流信號分量和旁路電容造成的過補償或欠補償，使檢測出來的系統(tǒng)電網(wǎng)對地的絕緣阻值存在偏差。