煤矿井下漏电保护研究

漏电保护研究黄延庆，史丽萍*作者简介：黄延庆，（1985-），男，硕士，电力系统及其自动化.E-mail:[e-mail]（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）摘要：本文研究了煤矿井下6/10kV漏电保护，通过对漏电故障时零序特征分量的分析，提出了分类漏电保护的方法，该方法消除了漏电保护中过渡电阻的影响，同时对于不同的接地方式具有更强的适应性。保护的准确性得到了提高，较好的了解决了现有漏电保护的误动和拒动。关键词：漏电保护；分类保护；零序特征分量；导纳增量Studyof6/10kVleakageprotectionincoalmineHuangYanqing,ShiLiping(SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,JiangSuXuZhou221008)Abstract:Inthispaperwedisscussthe6/10kVleakageprotectioninthecoalmine.Analyzingthezerosequencecomponentfeaturesduringtheleakagefault,weproposedleakageprotectionclassificationmethodwhicheliminatestheinfluenceofthetransitionresistanceduringtheprotection.butfordifferentgroundinghasbetteradaptability.Theaccuracyhasbeenenhanced,anditisbettertosolvemalfunctionandrefuseofthecurrentleakageprotection.Keywords:Leakageprotection;Classificationprotetion;Zerosequencecomponentfeatures;Incrementaladmittance0引言随着煤矿现代化程度的不断提高和井下高压电供电距离的增加，对煤矿井下供电系统的可靠性、安全性和连续性的要求越来越高。由于煤矿井下工作环境恶劣，经常出现漏电故障，漏电故障若不及时排除会存在较大危害，如可引起瓦斯、煤尘的爆炸，提前点燃雷管等事故，直接危及人身安全和矿井生产。同时电网相电压的升高，长期运行将导致绝缘击穿，甚至发生两相或三相短路故障。因此，《煤矿安全规程》中规定煤矿井下高压防爆开关中应装设短路、过负荷和漏电保护。现有煤矿高压防爆开关综合保护装置在使用中短路保护和过负荷保护基本上能满足现场需要，但是漏电保护在应用中经常会出现误动或拒动现象。而煤矿供电系统中漏电故障占到80%以上，并且一些短路故障往往也是由漏电故障发展而成。为此，一些学者对漏电保护进行了研究，提出了零序电流法、零序电流功率方向法[1]、零序电流有功功率方向法[2]、5次谐波法[3]、导纳法[4]、“注入信号”法等漏电保护方法[5]，上述这些方法都是利用某变电所所有线路的信号特征设计的，对只能单独利用某一支路的信号特征来实现漏电保护的方法，研究的比较少。因此，对煤矿高压防爆开关的漏电保护进行研究具有重要的现实意义和重大的经济价值。1煤矿高压电网漏电故障时零序分量特性分析根据我国《矿用隔爆型配电装置》的国家专业标准的规定，煤矿高压防爆开关应装设零序电流型漏电保护或零序功率方向型漏电保护[6]，其零序电流的大小可以根据实际情况来整定，动作时间一般在0.1s左右或可整定。对零序电流型漏电保护的检测方法为：开关的负荷侧人为在每相对地之间加Fμ1电容，然后在每相上进行漏电实验。对零序功率方向型漏中国科技论文在线电保护的检测方法为，开关的电源侧人为在每相对地之间加Fμ1电容，然后在每相上进行漏电实验。由上可见，零序电流型漏电保护的选择性靠整定零序电流的大小来实现选择性；零序功率方向型漏电保护由零序电容电流的方向和大小来实现选择性。而现今煤矿6kV供电系统中性点接地方式主要有两种，一种为中性点不接地系统，另一种为中性点经消弧线圈接地系统。并且《煤矿安全规程》上规定，当煤矿6kV供电系统的对地电容电流大于20A时，应采用中性点经消弧线圈接地系统。我国煤矿电网随着电缆长度的不断增加，逐渐从上世纪80年代的中性点不接地系统，改为中性点经消弧线圈接地系统。图1为煤矿6kV系统第K条线路经电阻R漏电时的网络图。中当DL1打开时为中性点不接地系统，当DL1闭合时为中性点经消弧线圈接地系统，LN为消弧线圈电感，gN为预调式消弧线圈所并电导。由于煤矿高压电网的对地绝缘电阻一般较大，因此，各线路对地电阻可以忽略不计。现假设在第K个开关的负荷侧发生漏电故障，则流过各个开关的零序电流如下。图1漏电故障时的零序网络图Fig1.Thefigureofzerosequencenetworkincurrentleakagefaults（1）对中性点不接地系统：第i个非故障线路开关所测零序电流为：iiiifCUjCUjgUIωω0000333≈+=⋅（1）故障线路开关所测零序电流为：∑≠=⋅⋅−=−−≈−+−−=nkiiifkkkkgICCUjCCjggUI10000)(3))((3ωω（2）可见，在中性点不接地系统中故障线路开关所测的零序电流等于所有非故障部分零序电流之和，且方向相反，因此可以根据这些特征来实现漏电保护。零序电流型漏电保护和零序功率方向型漏电保护基于上述原理而提出的。但是在煤矿实际应用中由于漏电故障又包括金属性、高阻性等多种类型的漏电故障。随着接地电阻的增大，零序电压和零序电流不断减小，造成零序电流型漏电保护经常出现拒动现象，而零序电流功率型漏电保护出现误动或拒动现象。中国科技论文在线（2）对中性点经消弧线圈接地系统：非故障线路开关所测零序电流同式（1）。由于消弧线圈电感电流的影响故障线路开关所测零序电流为：)())313((10100RNLnkiiifkniiNkgIIICLCjgUI++−=−−+−=∑∑≠=⋅=⋅ωωω（3）可见，在中性点经消弧线圈接地系统中非故障线路开关所测零序电流特性与中性点不接地系统相同，而故障线路开关所测零序电流的大小和方向与消弧线圈的补偿电流有关。由于现在煤矿上采用的消弧线圈大都为自动跟踪补偿的消弧线圈，其补偿状态可能为欠补偿、全补偿和过补偿状态中的任何一种，且接近于全补偿状态。因此故障线路开关所检测到的零序电流不一定大于其本身线路的对地电容电流，且方向也与补偿度有关。所以，上述零序电流型和零序功率方向型漏电保护在原理上就无法实现选择性。针对消弧线圈接地系统漏电保护的问题，有学者提出了利用零序5次谐波法来实现漏电保护，但是在高压防爆开关保护中由于无法实现群体比幅、比向，且各电网5次谐波的含量也不相同，因此，该方法无法在高压防爆开关漏电保护中应用。因此，针对上述漏电保护存在的问题，本文提出了能够克服上述缺点的，根据中性点接地方式的不同，采用分类漏电保护的新方法。2分类漏电保护原理由于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生漏电故障时，故障线路开关所检测到的零序电流的特征不同，因此无法采用相同的漏电保护原理。因此，要保证开关保护在各种中性点接地方式下都能准确工作，其保护原理必须采用与中性点接地方式相对应的分类漏电保护原理。2.1中性点不接地系统漏电保护原理由上述分析可见，在中性点不接地电网发生漏电故障时，故障线路检测的零序电流不仅与电网的对地电容有关，而且也与发生漏电故障处的接地电阻有关。而现有防爆开关中的漏电保护是以零序电流来整定的，如果整定过大则可能造成高阻接地时出现拒动现象；当整定过小时则可能出现误动现象。而漏电故障时的接地电阻的阻值是个不确定的值，所以无法通过整定来完全消除上述出现的拒动或误动现象。下述基于导纳法的漏电保护就可解决上述问题，其原理如下：非故障线路所测导纳为：iiiCjCjgUIYiωω33300i0≈+==⋅（4）故障线路所测导纳为：3)33(110110∑∑∑∑≠=≠=⋅≠=≠=⋅−≈−+−=nkiiinkiiinkiiinkiiikCjYCjgYωω＝（5）由式（4）和（5）可见，通过检测导纳的大小和方向就可判断出故障线路。为了防止非故障线路的误判，对于非故障线路由于互感器等误差造成误动作，一般采用方向判拒时，应附带大小的判断。由于防爆开关后电缆长度一般都较短，不会超过整个系统电缆长度的一半，因此其动作值可简化为：中国科技论文在线∑=⋅−≤niiiCjY10321ω（6）式（6）中的总电容可由煤矿电网每年所测的电容电流值计算出。2.2中性点经消弧线圈接地系统漏电保护原理现在煤矿上应用的消弧线圈主要包括预调式和随调式。其中预调式消弧线圈大都串或并联电阻用来防止谐振的发生，而随调式消弧线圈则一般无此电阻。①于中性点经预调式消弧线圈接地系统由图1可知，故障线路的零序测量导纳为：)13()133(111000LjCjgLjCjggUIYnkiiiNnkiiiNnkiiikkωωωω−+−≈−++−==∑∑∑≠=≠=≠=⋅⋅（7）而非故障线路则同式（4）。对上式取实部则可得：⎪⎩⎪⎨⎧≈−≈⋅⋅0.0.0RiNRkYgY（8）通过式（8）可见，故障线路的电导远大于非故障线路的电导，且其值主要由消弧线圈所并（或串）电导有关，而系统对地绝缘电阻可忽略不计。因此，可以通过电导的大小和方向来判断故障。其整定值与消弧线圈所并（或串）电导的大小有关。②对于中性点经随调式消弧线圈接地系统，理论上通过式（8）仍然可以判断出故障，但由于系统对地绝缘电阻很大，因此会影响到漏电保护的准确性，该方法在实际应用中仍存在问题。此时可通过导纳增量法来实现，其基本原理是利用随调式消弧线圈的补偿滞后的特性（随调式消弧线圈对电网进行补偿时需要首先检测到漏电故障的发生，然后通过控制投切各种开关或可控硅开实现补偿。这个补偿过程需要一定的时间）来实现的，其原理为：非故障线路补偿前后其零序导纳都同式（4），补偿前后差值为0。而故障线路补偿前同式（4），补偿后：)13()133(111000LjCjLjCjgUIYnkiiinkiiinkiiikkωωωω−−≈−+−==∑∑∑≠=≠=≠=⋅⋅（9）补偿前后的导纳增量绝对值为：⎪⎩⎪⎨⎧=Δ=Δ⋅⋅0100ikYLYω（10）因此，可以利用式（10）来判断出故障线路。有的随调式消弧线圈为了提高漏电保护的准确性，在发生漏电故障后，自动将补偿电流短时加以改变，来实现漏电保护。此时，该方法可以实现2次判断，提高保护的准确性。3实验和结论有上文所述，对中性点不接地的系统采用基于零序导纳原理的选择性漏电保护，中性点经预调式消弧线圈接地系统采用基于零序电导的选择性漏电保护，对中性点经随调式消弧线圈接地系统采用基于零序导纳增量原理的选择性漏电保护。实验，只能将380V的电压通过变压器升压至1140V进行实验。1140V的电源接至母线，共有三条出线，即图中的1L、2L、3L。每条出线上装有一零序电流互感器，用来测量零序电流。而零序电压的获取则通过一个电抗器和一个PT获得。零序电流和零序电压获得之后便能计算出零序导纳的值。由于三条出线很短，故每条出线上都人为的接上对地电容和对地绝缘电阻，而且电容和电阻的值在实验台上是可选的。图2为漏电保护实验电路，表1是当1L发生漏电故障时，基于零序导纳原理的选择性漏电保护的实验结果数据。0U图2漏电保护实验电路