矿井低压电网漏电故障分析与检测电路设计

刘 理 云

(娄底职业技术学院 电子信息工程系, 湖南 娄底 417000)



矿井低压电网漏电故障分析与检测电路设计

刘 理 云

(娄底职业技术学院 电子信息工程系, 湖南 娄底 417000)

由于我国矿井电网广泛采用中性点不接地，漏电故障占其总故障的70%左右，井下漏电故障直接影响产矿企业的正常生产和经济效益。文章分析了井下低压电网漏电故障，利用附加直流源漏电保护原理，零序电压、零序电流及相位比较漏电保护原理，设计实用检测电路，并分析其工作原理，进行实验验证。

故障分析； 检测电路设计； 矿井电网； 漏电故障

0 引 言

由于我国矿井电网广泛采用中性点不接地，漏电故障占其总故障的70%左右。井下漏电故障不但会损坏电气设备，导致人身触电，而且还会形成单相接地故障，进而发展成为相间短路故障，由此引发的电弧还可能造成瓦斯和煤尘爆炸，电雷管提前引爆等重大事故，直接影响到产矿企业的正常生产和经济效益。利用各种检测技术，设计可靠的检测电路，准确及时地检测出漏电故障，切断漏电电路，能够确保人身、电气设备安全，减少因漏电引起的瓦斯、煤尘爆炸，从而提高产矿企业的经济效益[1]。

1 井下低压电网漏电故障分析

根据电工理论分析可知，在正常状态下发生三相对称性漏电时，电网各相对地电压就是电源的相电压，是对称的，因而变压器中性点对地的电压U0为零[2],即“地”与变压器中性点之间没有电位差，当然，此时也就没有零序电压和零序电流。所谓零序电压，是在故障点出现的三个大小相等，相位相同的电压，它们分别作用在三相电网的每一相上。由于零序电压的存在,必然要在由绝缘电阻构成的零序回路中产生三个大小相等、相位相同的零序电流[3-8]。

当发生单相漏电故障时，各相的对地阻抗大小不再相同，各相的对地电压也就不再对称，变压器中性点与地之间便有了电位差U0，也就是故障点所出现的零序电压，在三相电网对地阻抗上产生零序电流I0[2]。由于变压器中性点与地之间没有零序电流通路，所以，变压器线圈内部不会有零序电流，零序电流只能在绝缘阻抗点 N 和故障点 M 段流过，如图1所示。因此，如果在该供电系统的电源端装设零序电流互感器，是不可能反应出故障的。至于零序电压的分布规律，如果忽略三相电网中零序阻抗压降的影响，那么，在电网的任何地方对地的零序电压都是U0[3-8]。

图1 单支路电网漏电零序电压和零序电流的分布

井下低压电网模型如图2所示。如果某一个支路发生了非对称性漏电故障，由于零序电压的存在，各个分支线路中都将有零序电流通过，而漏电电流便等于这些分支线路中的零序电流之和[2]。从电源的母线端往外看，通过故障支路的零序电流不仅大小而且方向都和非故障支路不同。故障支路的零序电流是非故障支路零序电流之和，而其它非故障支路的零序电流只流过本支路的零序电流，根据它们的大小不同可以区分故障支路和非故障支路。此外，故障支路零序电

流方向是流向母线，其零序电流滞后零序电压90°～180°，而非故障支路则是由母线流向支路，其零序电流超前零序电压0°～90°，它们的方向不同，根据它们的方向不同可以区分故障支路和非故障支路[1-8]。

图2 井下低压电网模型图

2 漏电检测电路设计

2.1 对称性漏电检测电路设计

由于发生三相对称性漏电时，三相电网仍然对称，没有零序电压和零序电流，故依据附加直流源法设计一对称性漏电检测电路如图3所示[4-6]。

图3 附加直流源对称性漏电检测电路

电网对地绝缘阻抗Rld是R和C的并联；三相电抗器SK对交流相当于开路，对直流相当于短路；因此，对于直流来说，忽略SK的电阻，双T滤波器阻抗RTT与Rld串联后，再与R2并联[9-11]。则A点电压为：

由于R1、R2、RTT是固定的，A点电位取决于电网对地绝缘阻抗，因此只需检测A点的直流电压大小即可分析电网对地绝缘情况。从A点获得漏电信息后，经过驱动电路驱动，低通滤波滤除干扰信号，经线性光耦隔离后送入 A/D 前端进行采样。但漏电电阻与给A/D前端的采样电压不成线性关系，必须通过反复实验测试进行校定，做成数据表，供控制部分使用[13-15]。

当电网对地阻抗不对称时，变压器中性点对地便会出现电位差，即零序电压。该零序电压必然要加在三相电抗器 SK 的人为中性点与地之间。如果没有很好的滤波装置，就会直接作用到直流检测回路，并在采样电阻上产生压降，从而会造成A点出现错误的漏电信息。我国电网的交流频率是50 Hz，在电路中设计了一个50 Hz的双T带阻滤波器，由RT1、RT2、RT3 和 CT1、CT2、CT3 组成，他既能让直流电流通过，同时又将50HZ的交流电压干扰衰减到最小[8,10]。

电网在实际运行中很可能会被变频器等设备干扰而产生杂波分量，这些杂波分量如果不加以滤除也将会影响检漏装置检漏的可靠性，因此我们在采样电阻后级加入了多重反馈有源低通滤波器，达到通过直流，滤去杂波分量的效果。

在设计时充分考虑到了数字部分和模拟部分的电磁兼容问题，为了减少干扰，确保检测结果的准确性，在低通滤波后加了以高线性度、高灵敏度光耦HCRN200 为核心的线性光耦隔离电路[12-13]。

2.2 非对称性漏电检测电路设计

多分支电网的某一支路发生了非对称性漏电时，故障支路的零序电流是非故障支路零序电流之和，而其他非故障支路只流过本支路的零序电流；此外，故障支路零序电流方向是流向母线，其零序电流滞后零序电压90°～180°，而非故障支路则是由母线流向支路，其零序电流超前零序电压0°～90°；根据这两个特点，通过判断零序电流幅值和比较零序电流与零序电压的相位，设计一非对称性漏电检测电路见图4[1-5]。

图4 非对称漏电检测电路

零序电压是通过在三相电抗器的人为中性点上接电阻获得，通过无源滤波衰减后，再经50 Hz有源带通滤波、移相、方波整形、线性光耦隔离与零序电流信号相与，得到一脉冲信号，通过测量脉冲信号脉宽可判断是否发生漏电。零序电流的获取是通过在三相线上套入零序电流互感器获得的电压信号，为了提高检测零序电流灵敏度，通过零序电流互感器获得的电压信号必须经过放大，再经低通滤波后分为两路，一路通过移相、方波整形、光耦隔离与零序电压脉冲信号相加，另一路通过精密整流，线性光耦隔离送入A/D 采样单元，根据零序电流的大小可判断是否发生漏电[3-8]。

在检测零序电流时，是利用零序电流互感器来检测三相的电流矢量和，即零序电流 I0，IA+IB+IC=I0，根据基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零，因此，当电网正常运行时，零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出。当发生漏电故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，零序电流互感器的二次侧便会感应出零序电流，通过在零序电流互感器的二次侧接入采样电阻，使电流信号变为电压信号[11]。通过在零序电流互感器感应侧空载、接多种负载试验，得出当负载为 1.98 kΩ时，输入侧电流和输出侧感应电压的线性度最好[9-10]。

如果发生接地漏电故障，三相电抗器人为中性点上的零序电压幅值很大，远远大于运算放大器所能承受的电压范围，经R1、R2、R3、C1构成的无源RC网络后，既可有效滤去电网直流分量，同时对 50 Hz 的交流分量衰减了 200 倍，幅值控制在后级运算放大器的正常输出信号幅值以内。为了加强设备的抗干扰性能，我们在获取零序电压信号后，加入 50 Hz带通滤波器滤除其余频段上的谐波分量[8，10，14-16]。

故障支路的零序电流方向是流向母线的，其零序电流滞后零序电压90°～180°，而非故障支路则是由母线流向支路，其零序电流超前零序电压0°～90°。我们选择给零序电流反相，零序电压相位前移 0°～90°，这样，无论是故障支路还是非故障支路，零序电流与零序电压的相位差控制在0°～90°内，然后把零序电压信号和零序电流信号通过线与，获得一脉冲信号，通过测量脉冲信号的脉宽可判断是否发生漏电[8-10,15]。

3 实验结论

对称性漏电检测电路试验时，在三相电网与地之间接上变阻器模拟漏电电阻，当漏电电阻在0～∞变化时，A点电压在-4.25～-0.92 V变化。双T滤波器中，取RT1=RT2=2RT3=10 kΩ，CT1=CT2=0.5CT3=0.33 μF，通过 Pspice 仿真，其频响特性如图5所示，可见其可以很好的滤除 50 Hz基频分量。可见，根据OUT1端输出的电压信号大小可以判断出对称性漏电电阻。

图5 双T滤波器频响特性图

非对称性漏电检测电路中，50 Hz带通滤波器通过Pspice 仿真，其频响特性如图6所示。有源移相电路中，当R9(R21)分别为100，10，1 kΩ时，通过 spice 对该电路进行仿真结果如图7所示，可见该电路在保证信号幅值不变的条件下，实现相位在 0～180°的相移。

利用仿真软件Multisim9进行模拟，零序电压与零序电流通过线与鉴相后的波形如图8、图9所示。可见故障支路所检测到的鉴相输出方波高电平周期比非故障支路的要宽。

在A相接变阻器模拟非对称性漏电，测得电阻与零序电流关系如表1所示。

图6 50 Hz带通滤波器频响特性图

图7 有源 RC 移相电路移相波形图

图9 非故障支路零序电压、电流及比相输出波形 表1 漏电电阻与零序电流关系

外接电阻/kΩ零序电流/mA外接电阻/kΩ零序电流/mA1.6103151254030710214051215

可见，根据比相后输出的矩形波高电平的宽窄及零序电流大小可判断出漏电支路。

4 结 语

利用附加直流源法判断对称性漏电，通过比较零序电压与零序电流的相位及零序电流的大小，找出非称性漏电中的漏电支路。

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The Fault Analysis and Detection Circuit Design of Low-voltage Power Network Leakage in Mine

LIULi-yun

(Electron Information Engineer Department, Loudi Vocational & Technical College, Loudi 417000, China)

In mine power network, about 70% of total failures are resulted by the leakage fault, because the non neutral grounding is widely used in our country. This directly influences normal production and economic benefit of mine enterprises. By analyzing the leakage fault of mine low voltage power network and using the principle of additional DC source leakage protection, zero sequence voltage, zero sequence current and phase comparison leakage protection, a practical detection circuit is designed and its working principle is analyzed, Experiment verifies its effects.

fault analysis; design of detection circuit; mine powergrid; electric leakage fault

2014-09-18

湖南省科技厅(2014SK3227)

刘理云(1975-),男，湖南娄底人，副教授，主要从事应用电子技术、仪器仪表、自动控制研究。

TD 611+.5

A

1006-7167(2015)05-0119-04

Tel.：18373860098; E-Mail:liuliyun1975@163.com