可通信式智能选择性漏电保护系统的研究.pdf

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1、可通信式智能选择性漏电保护系统的研究Research on Communication-capable Ground-faultProtection System with Intelligence and Selectivity牟龙华孟庆海刘建华（中国矿业大学信息与电气工程学院221008）Mu LonghuaMeng OinghaiLiu Jianhua（China University of Mining S Technoiogy 221008China）摘要分析了目前矿井低压电网漏电保护系统存在的不足，提出了基于附加直流电源检测和零序功率方向的漏电保护新判据，介绍了基于这些新判据的智能

2、漏电保护装置，该装置构成的可通信式漏电保护系统可以实现无级差的选择性漏电保护，提高了井下低压电网的安全水平。关键词：漏电保护通信选择性矿井低压电网中图分类号：TM773AbstractBased on the overview of ground-fauit protection systems for underground LV distribution net-works，this paper anaiyzes disadvantages of ground-fauit protection systems being used currentiy.The newcriteria of

3、ground-fauit protection，which are based on additionai DC power suppiy and direction of zero-se-guence power，are put forward.These action criteria are of very good seiectivity to ground fauit.The inteiii-gent ground-fauit protection devices using these new criteria are deveioped.These devices can for

4、m a commu-nication-capabie ground-fauit protection system.Conseguentiy，the seiective ground-fauit protection that hasno time difference and enhanced ieveis of safety for underground LV distribution networks can be reaiized.Keywords：Ground-fauit protection，communication，seiectivity，underground LV dis

5、tribution network国家自然科学基金资助项目（50077022）。牟龙华男，1963 年生，博士，教授，主要从事电气安全、智能电器与保护方面的研究工作，发表论文 50 余篇，出版专著 1 部。孟庆海男，1971 年生，博士后，主要从事低能电弧放电理论与检测技术方面的研究工作。1引言煤炭生产主要在井下进行，大部分为电缆供电，环境恶劣，故障多，电缆线路经常发生单相漏电或单相接地故障。设置完善的选择性漏电保护、采取切实可行的漏电保护措施，可以大大提高井下供电的安全性和可靠性。国外井下漏电保护的设置较为简单，他们主要在网架结构和电网运行方式上多投资以改善供电安全性与可靠性。如美国井下电网

6、采用中性点经电阻接地方式，对 1kV 以下的低压电网，美国 MSHA（Mine Safety and Heaith Admin-istration）规定其中性点接地故障电流不能超过25A，工业应用中则大多保守地采用 15A，利用零序过流继电器实现选择性漏电保护1 4。而我国井下低压电网的中性点全部为不接地方式，选择性漏电保护主要采用零序功率方向保护原理，它需要一定量的零序电流才能正确选线。我国煤矿井下的低压供电系统如图 1 所示。一般为三级，即总自动馈电开关 O1，分支馈电开关O2和磁力起动器 O3三级，图中 T 为降压变压器。选择性漏电保护装置一般设在总自动馈电开关和分支馈电开关两处，而磁力

7、起动器处一般仅设漏电闭锁保护，亦即采用二级选择性漏电保护系统。图 l矿井低压供电系统Fig.lLow-voItage distribution system in coaI mine为保证选择性，上、下级漏电保护装置之间一般只能靠延时来实现动作的选择性，即上级漏电保护装置的动作时间应比下一级长一个时限阶段，即遵循时限级差原理；横向选择性则多采用零序功率方向保护原理来实现，但总自动馈电开关处的漏电保护装置一般采用附加直流电源的保护原理。上、下两级选择性漏电保护装置之间的动作时限级差约为200 500ms。目前选择性漏电保护在我国井下低压电网的使用中误动、拒动现象时有发生，严重影响矿井的安全生产。

8、同时由于上级选择性漏电保护装置动作存在延时，使靠近供电电源的选择性漏电保护装置的动作时间较长（如 Kl点漏电时），在该保护范围内人身触电的危险性就较大。从而出现了漏电保护装置动作的选择性与人身触电的安全性之间的矛盾，或者说牺牲了一定的安全性才换来了选择性。随着信息技术和计算机网络的发展，微处理器和计算机技术引入低压电器，使低压电器具有了智能化的功能，并可以实现与中央控制计算机间的双向通信。目前国外各大公司，如德国西门子公司，美国西屋公司、RockweII AB 公司等已相继推出可通信式智能开关电器，这些产品的应用大大提高了电网的自动化程度5。而从漏电保护的使用现状可看出，单一的或分立的漏电保护

9、装置已不能适应矿井安全运行的要求。本文在建立选择性漏电保护新判据的基础上，提出将计算机技术引入漏电保护，从而构成可通信式选择性漏电保护系统的新思路，利用该系统可实现快速、无级差的漏电保护，确保人身 安 全。目 前 国 内 外 也 已 出 现 了 类 似 的 产品6，7，但其是通过上下级装置的闭锁信号来实现通信，不具备智能化功能，无法与其他通信系统互联。!漏电保护原理分析漏电保护的主要目的是通过切断电源的操作来防止人身触电伤亡和漏电电流引爆瓦斯煤尘。漏电保护原理的种类较多，从适用于井下低压电网的漏电保护原理来看，主要有以下几种：附加直流电源的保护原理；零序功率方向原理；零序过流原理；旁路接地保护

10、原理8，9。目前在现场使用的漏电保护装置则主要采用前两种原理。!#总馈电开关的漏电保护原理总自动馈电开关处的漏电保护装置负责全电网的漏电保护和总漏电后备保护作用，可采用附加直流电源的漏电保护原理，如图 2 所示。附加直流电源的检测通道为：直流电源正端!Rs!大地!电网绝缘电阻!三相电网!三相电抗器!R!直流电源负端。图 2附加直流电源漏电保护原理C0，r各相对地电容、绝缘电阻LC（L）三相电抗器R限流电阻Rs取样电阻C隔直电容Cl，C2零序电压取样回路U外加直流电压Fig.2PrincipIe of ground-fauItprotection with additionaI DC power

11、 suppIy其检测电流 可由下式求得=URLC（L）/3+R+RS+RE+r=UR+r（l）式中RLC（L）三相电抗器每相线圈的直流电阻RE 接地电阻r 三相电网对地总绝缘电阻r=r/3R=RLC（L）/3+R+RS+RE。式（l）中，仅 r为变量，故检测电流 直接反映了电网的绝缘情况。取样电阻上的电压 US可表示为US=RS=UR+rRS（2）三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算r=UUSRS-R（3）38电网正常运行时，根据式（3）可实现对电网绝缘电阻的连续监测；当人身触电或发生漏电故障，使 r!达到装置动作设定值时，迅速将电源切除。另外，即使电网的绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障现象检测

12、出来，这是附加直流电源漏电保护原理的一大优点。由于井下低压开关中皆不设零序电压互感器，故图 2 中增设了零序电压取样回路，便于分支开关中零序功率方向漏电保护原理的实现。利用附加直流电源原理实现的漏电保护装置不具备选择性功能，电网中任一处发生漏电故障时该装置都要无选择性地动作。但对总自动馈电开关而言，已经能满足漏电保护的要求。!分支线路的漏电保护原理图 3 为图 l 所示电网 K2点发生单相漏电故障零序等效网络。r0l r04、C0l C04分别为线路 Ll、L2、L3和总自动馈电开关处线路的每相绝缘电阻和对地电容，用集中参数表示；Rf为漏电故障点过渡电阻，故障发生在电网 A 相。图 3单相漏电

13、故障零序等效网络Fig.3Zero-seguence eguivaient network ofthe singie iine to ground fauit设漏电故障时电网的零序电压为!0，规定电流从母线指向线路为正方向。则由图 3 可得到流过非故障支路 Ll、L2、总自动馈电开关处线路首端的零序电流分别为30l=!03r0l+j3!C()0l=r0l+C0l（4）302=!03r02+j3!C()02=r02+C02（5）304=!03r04+j3!C()04=r04+C04（6）而流过故障支路 L3首端的零序电流则为303=-!03r0l+3r02+3r04+j3!（C0!-C03）=-

14、r-（C0l+C02+C04）（7）式中C0!全电网一相对地电容之和，C0!=C0l+C02+C03+C04r=r0l+r02+r04观察式（4）式（7）与图 3 可知，流过故障支路 L3首端的零序电流分两部分：非故障支路绝缘电阻产生的有功电流之和-r，其相位与零序电压差 l80；非故障支路零序电容电流之和-（C0l+C02+C04），相位滞后于零序电压 90。而流过非故障支路首端的零序电流也包括两部分：本支路绝缘电阻产生的有功电流，与零序电压同相位；本支路对地电容产生的容性电流，相位超前零序电压90。由于故障支路和非故障支路的零序无功电流分量方向相反，故可利用此特点来实现选择性漏电保护。#选

15、择性漏电保护的选线判据传统的漏电保护装置采用比相电路来设计，采用模拟电路构成，抗干扰能力差，无法实现装置的智能化。为了实现保护装置的智能化，应该寻找新的保护算法。设电网零序电流 0、零序电压!0的相位角分别为I、u，根据傅里叶算法l0可求得其值为I=arctgI0II0Ru=arctgU0IU0R令=u-I，则有sin=l（I20I+I20R）（U20I+U20R）（I0RU0I-I0IU0R）（8）上述各式中，U0I、U0R、I0I、I0R分别为!0、0的虚部和实部。将零序电流 0超前移相 90，以基波零序电压!0为基准，将 0投影到与!0平行的平面上，构造下列漏电保护选线判据方程Pr=U0

16、lI0lcos（+90）（9）式中U0l、I0l分别为!0、0的模值，且有 U0l=U20R+U20I，I0l=I20R+I20I。48由式（8）进一步化简式（9）得!r=OI#OR-OR#OI（lO）根据式（4）式（7）可知，对故障支路 L3!r=#Ol$!对非故障支路 Ll（其他非故障支路与此类似）!r=-#Ol$l式中$!，$l !$Ol+!$O2+!$O4和!$Ol的模值显然，对应于故障支路总有!r O，而对非故障支路则总有!r O，且故障支路的!r值较非故障支路大得多。从而可以利用式（lO）准确、可靠地判断出故障支路。!可通信式智能选择性漏电保护系统根据矿井低压电网情况，可通信式智能

17、选择性漏电保护系统的组成结构如图 4 所示。图 4可通信式漏电保护系统结构Fig.4Structure of communication-capabieground-fauit protection system该系统采用两级分布式结构，总自动馈电开关处的漏电保护装置（UGF）为主站，其设有两个RS485 通信接口，除与分支馈电开关处的下级漏电保护装置（DGF）通信外，还可通过另一个接口与矿井安全监测系统相联，便于地面调度系统实时地了解井下低压电网的绝缘变化和漏电情况。DGF 智能漏电保护装置通过 RS485 构成现场总线，可以挂接 l27 个保护装置（实际电网的分支出线数远小于这个数量，一般

18、不大于 lO）；另外，总自动馈电开关与分支馈电开关间的距离一般不超过 lOOm，故RS485 的通信距离完全能满足要求。图 5、图 6 分别是 UGF、DGF 装置的原理框图，其 CPU 采用性价比较高的 89C5l 系列单片机实现。UGF 装置完成对直流取样信号#S、零序电压 O的实时采集，电网正常时，根据式（3）实时显示电网的绝缘情况；而 DGF 装置则完成所在支路零序电流信号的采集。图 5UGF 漏电保护装置原理框图Fig.5Schematic diagram of UGFground-fauit protection device图 6DGF 漏电保护装置原理框图Fig.6Schema

19、tic diagram of DGFground-fauit protection device根据煤矿安全规程要求，漏电保护动作电阻值有固定要求，如对 66OV 系统，规程要求动作电阻值为llk!，对 ll4OV 系统则为 22k!。因此当电网绝缘电阻下降到动作值后，UGF 装置立即将 O的#OI、#OR值下发给各个 DGF 装置，各 DGF 装置则根据式（lO）判断出故障支路，并据此发出起动或闭锁出口继电器的动作信号。当然，若参照变电站自动化系统中常用的集中选线方法，即当电网发生漏电故障时，各 DGF 装置立即将零序电流值上传给 UGF 装置，再由 UGF装置进行集中选线，并可采用群体比幅

20、、比相的方法判断出故障支路ll。但这将增加 UGF 装置的计算负担，不利于快速保护的实现。另外，根据算法模型式（lO）已完全能满足选择性的要求。该漏电保护系统的动作过程如下：对于图 l 所示的电网，当 Kl点发生漏电故障时，UGF 装置接收到各 DGF 装置的闭锁信号后，UGF 装置无延时地动作于跳闸；当分支出线的任一处发生漏电故障时（如 K2或 K3点），则各 DGF 装置根据式（lO）确定出故障支路后，无延时地动作于跳闸，同时向UGF 装置发出故障信息；UGF 装置收到故障信息后闭锁其出口信号，若经过预定的延时后（2OOms）尚未收到 DGF 装置的动作信号，则其无选择地动58作于跳闸，从

21、而起后备保护作用。可见，可通信式选择性漏电保护系统中的各级保护装置皆为瞬动型，可以实现无级差的漏电保护，使漏电保护系统的纵向选择性更合理、更完善。另外，传统分支馈电开关处的选择性漏电保护装置皆要加设零序电压取样电路，既复杂又影响开关安全性能；为了保证动作电阻值，还需采用复杂的附加直流信号取样环节。采用可通信式选择性漏电保护系统后，零序电压的取样和动作电阻值的保证皆由 UGF 装置通过通信线路来完成，大大简化了保护系统，提高了可靠性。!实验结果根据上述漏电保护判据和系统结构要求设计的装置样机已通过了实验室低压模拟电网的实验验证。考虑到我国煤矿井下低压电网对地分布电容的分布范围为：0.1 1.0!

22、F/相，故实验时取对地分布电容的最大值 1.0!F/相；模拟人身触电电阻值取为 1k。根据 30mA s 的安全指标要求，可计算得到不同电压等级电网在对地分布电容为 1.0!F/相时的最大触电电流和允许触电时间，见表。表电网电压与人身触电电流和时间的允许值TabAiiowabie vaiues of eiectric shock current andtime under various voitages电压/V3806601140最大触电电流/mA150261451允许触电时间/ms20011567实验证明，当电网电压为 1140V，在 K2或 K3点发生漏电故障时，DGF 装置动作时间小于

23、 42ms，若分支开关拒动，则 UGF 装置延时 200ms 后立即动作；K1点发生漏电故障时，UGF 装置动作时间小于 50ms，完全可以满足 30mAs 的安全指标要求。当电网电压为 660V、380V 时，由于人身触电电流值减小，而装置动作时间保持不变，更能满足安全指标要求。结论本文提出的附加直流电源与选择性漏电保护新判据，可大大提高井下低压电网漏电保护的动作性能；根据这些保护判据设计的各级漏电保护装置为瞬动型，且装置结构大为简化；将它们构成可通信式智能选择性漏电保护系统后，可以实现无级差的漏电保护，缩短漏电故障存在时间，大大提高了井下供电的安全性。参考文献1Thomas Novak，J

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