金属与非金属矿山低压漏电保护新技术的研究

王小华，张敏艳

(溧阳市福沃特电力自动化有限公司， 江苏 常州市 213300)

金属与非金属矿山低压漏电保护新技术的研究

王小华，张敏艳

(溧阳市福沃特电力自动化有限公司， 江苏 常州市 213300)

分析了中性点不接地系统常规的低压漏电保护原理和金属与非金属矿山低压系统的特点，指出金属与非金属矿山低压漏电保护应用中存在的问题及其产生的原因，提出了一种满足金属与非金属矿山低压系统需求和符合国标要求的新的漏电保护原理，以及应用这种原理生产的漏电保护设备，可以实现变电所出线和设备终端分级选择性漏电保护。

低压；漏电保护；电力设计；漏电装备

《矿山电力设计规范》(GB50070-2009)关于漏电保护规定“低压配电IT系统均应装设绝缘监视装置”, 当“预期接触电压超过36 V时，防护装置应迅速地切断故障线路”。这提出了两方面的要求：一是明确要求金属与非金属矿山低压系统安装漏电保护设备；二是明确指出接触电压是确定漏电保护动作于发信或跳闸的依据。

近年来，新建矿山都增加了漏电保护的设计，老矿山也相继进行了漏电保护改造。但是由于没有满足金属与非金属矿山要求的漏电保护设备，普遍存在选型不正确的问题：错误地使用了四极型断路器漏电保护、盲目使用其他领域的漏电保护。绝大多数金属与非金属矿山的低压系统未能实现有效的漏电保护。

GB50070-2009增加了接触电压作为确定漏电是否跳闸的依据，这是根据保护人身安全电压确定的。但是接触电压如何计算，与哪些因素有关，目前还未见监测接触电压的漏电保护的研究成果。金属与非金属矿山低压不接地系统需求的漏电保护是矿山供电亟需研究的课题。

1 中性点不接地系统常见漏电保护原理

1.1 漏电电阻检测原理

中性点不接地系统判断漏电依据是系统对地电阻，在不同电压等级确定不同的漏电电阻动作值这是间接保证接触安全电压。在中性点不接地系统中漏电点电流是电容电流，《矿用隔爆型检漏继电器》中限制了系统电容，漏电电阻是决定接触电压的唯一因素。在电网中，漏电电阻不能直流测量，只能通过可以实测的量计算得到，漏电电阻检测存在的问题是现有漏电保护技术可靠性差的主要问题。

漏电电阻的检测的主要方法有“附加直流电压法”和“零序电压法”两种，分别满足总开关和分开关对动作时间的要求，《矿用隔爆型检漏继电器》规定总开关漏电保护动作时间是200 ms，分开关漏电保护动作时间是30 ms。

1.1.1 “附加直流电压法”原理

“附加直流电压法”的原理是欧姆定律。通过三相电抗器将直流电源叠加在系统中，漏电时直流电源通过漏电点和大地形成回路而产生直流电流，通过检测直流电流根据欧姆定律直接计算出漏电电阻。

1.1.2 “零序电压法”原理

零序电压是中性点不接地系统漏电的显著特征。在系统电压和系统电容不变的前提下，零序电压随漏电电阻的降低而增加。在系统电压和系统电容变化不大时，保护通过检测零序电压来估算系统漏电电阻。

1.1.3 现有漏电电阻检测原理的缺陷

“附加直流电压法”检测漏电电阻响应速度慢。直流电源是通过一个感抗很大的三相电抗器接入系统的。由于电感电流不能跃变，响应速度至少在100 ms以上，因此“附加直流电压法”只能用于总开关。

“零序电压法”检测漏电电阻精度很差。零序电压成立的条件是系统电压和系统电容的变化引起的零序电压变化在漏电电阻允许误差(20%)范围内。

系统电压与零序电压成正比，系统电压的变化范围在75%～110%时，零序电压误差最大为25%，超出了漏电电阻20%的精度要求。

表1反应了系统电容对零序电压的影响[2]。表中的数据是380 V系统经3.5 K漏电的计算结果。系统电容在标准规定范围(0.1～1 uf)变化时，零序电压变化约为3倍，即漏电电阻的误差约为3倍。而不是20%。

表1 系统电容对零序电压的影响

“零序电压法”检测漏电电阻的假设条件是错误的，尽管反应速度快，能满足分开关对动作时间的要求，但因其精度很差，漏电保护不可能可靠动作。

由于动作时间的限制，总开关和分开采用2种精度相差悬殊的方法检测漏电电阻，这是目前漏电保护可靠性差的根本原因。

1.2 选择性漏电保护原理

现有选择性漏电保护都是根据中性点不接地系统漏电后零序电流大小以及与零序相位关系实现的。图1是3条支路向量图，反应各支路零序电流大小相互关系和分别对零序电压的相位关系。

图1 中性点不接地系统漏电向量图

(1) “零序电流大小法”：该原理的选择性漏电保护是以“故障支路零序电流最大”为依据的电流继电器。继电器的定值设置要在非漏电支路和漏电支路的零序电流中找到平衡，保证前者不误动，后者不拒动。

(2) 功率方向原理：该原理的选择性漏电保护就是以“零序电流对零序电压”相位判别器，零序电流超前零序电压的支路是非漏电支路，零序电流滞后零序电压的支路是漏电支路。

1.3 现有选择性漏电保护原理的缺陷

“零序电流大小法”可靠工作的前提是:最小运行方式下系统对地电容电流的总和为最长线路的电容电流的3～4倍时。因此，“零序电流大小法”限制用于系统出线长短线悬殊的网络。

零序电流的采样元件零序电流互感器一次绕组只有一匝，决定了其伏安特性较差。非漏电短支路零序电流很小，一次电流在互感器伏安特性的拐点附近，其二次电流相位误差很大。系统不平衡电流也会影响零序电流的相位。非漏电短支路和系统不平衡电流会引起功率方向原理误判。

2 金属与非金属矿山低压系统的特殊性

(1) 长短线更加悬殊。金属与非金属矿山低压系统从分路开关到负荷的距离短到几十米，长则几公里。现有漏电保护技术的难题之一就是“长短线悬殊”的漏电保护，金属与非金属矿山低压的长短线更加悬殊，选择性漏电保护难度更大。

(2) 树干式接线方式。金属与非金属矿山低压供电一般采用树干式接线方式，由配电装置引出一条线路同时向若干个甚至几十个用电设备供电，干线故障时影响范围大。金属与非金属矿山低压漏电保护必须保护到用电设备。

(3) 分散性漏电现象严重。金属与非金属矿山井下环境差，低压供电接线质量差，随意性大，分散性漏电现象比较普遍。至今没有发现中性点不接地低压系统分散性漏电的研究成果。

(4) 网络大，电容电流大。《矿用隔爆型检漏继电器》规定系统电容不大于1 uf，这是针对煤矿制订的。金属与非金属矿山低压系统整个网络达几十公里，GB50070-2009规定“预期接触电压超过36 V时，防护装置应迅速地切断故障线路”，表明金属与非金属矿山低压网络系统电容要远大于1 uf。系统电容大，流经漏电点的电流大，接触电压高，“零序电压法”检测漏电电阻受系统电容影响误差更大，漏电保护可靠性更差，漏电将危及生命。

(5) 漏电意识淡薄，长期漏电运行。在调研金属和非金属矿山低压系统过程中发现井长期带故障运行是十分普遍的现象。不安装漏电保护装置可以带故障运行，安装了漏电保护装置反而因保护动作停电影响生产，以致有些矿井即使安装了漏电保护装置也不投入运行，纯粹应付安监部门检查。

3 金属与非金属矿山低压漏电保护使用 误区

3.1 误用中性点直接接地系统漏电保护

由于金属与非金属矿山一般没有防爆要求，低压设备直接使用地面中性点接地系统设备，以致漏电保护误用了四极剩余电流断路器。

四极剩余电流断路器中零线必须穿过零序电流互感器，四极剩余电流断路器漏电保护原理是基尔霍夫第一定律。正常时，零序电流互感器检测到一次电流(三相线和零线)的电流矢量等于零，漏电时部分相电流流入漏电点，破坏了零序电流互感器电流平衡而使漏电保护动作。

中性点接地系统和中性点不接地系统发生漏电时的漏电电流性质不一样，前者是相电流；后者是电容电流。中性点接地系统的漏电是电器外壳与火线间绝缘损坏程度的轻微，以区别于单相对地短路；中性点不接地系统的漏电和单相接地是一个概念在不同领域的不同名称，在矿山称为漏电，在电力系统称为单相接地。

两种接地方式漏电概念不同，互感器检测到的漏电电流性质不同，漏电保护机理也不同，中性点直接接地系统的漏电保护不能用于中性点不接地系统。

3.2 盲目使用煤矿漏电保护

煤矿对漏电保护的要求很高，很多金属与非金属矿井采用煤矿低压漏电保护使用效果不好的主要原因有以下几方面。

(1) 煤矿漏电保护本身存在问题。如前所述，漏电电阻检测的问题是煤矿漏电保护不能正确动作的根本原因。煤矿漏电保护用到金属与非金属矿山低压系统，因系统电容大大增加，漏电电阻检测误差更大。

(2) 金属与非金属矿山低压系统长短线悬殊现象比较常见， “零序电流大小法”无法用于“长短线悬殊”场合，而“功率方向原理” 则容易引起非漏电短支路误动和受系统不平衡电流的影响。

(3) 金属与非金属矿山低压系统是树干式接线方式，漏电保护仅仅如煤矿那样控制变电所里的总开关和分开关是远远不够，需要进行多级控制，实现终端设备的漏电保护。

(4) 金属与非金属矿山低压系统分散性漏电现象严重，现有煤矿漏电保护技术不能解决分散性漏电保护问题。

(5) 金属与非金属矿山电容电流大，要求以“接触电压”为漏电保护动作于跳闸和发信的依据，没有一款煤矿漏电保护产品可以监测“接触电压”。

4 金属与非金属矿山低压漏电保护新技术 的研究。

针对金属与非金属矿山低压系统的特点，结合GB50070-2009对低压漏电保护的新要求，进行金属与非金属矿山低压漏电保护新技术的研究主要解决了几个方面的问题。

4.1 “零序电压修正法”检测漏电电阻

零序电压是关于“系统电压、系统电容和漏电电阻”函数，其中，零序电压是测量的量，漏电电阻是需要求的量，而系统电压和系统电容是变化和未知的。零序电压和漏电电阻对应关系受2个变化量严重影响，这是“零序电压法”检测漏电电阻误差大的根本原因。

“零序电压修正法”是通过对系统电压和系统电容这2个是变化量进行实时监测，实时修正在上述函数关系中系统电压和系统电容变化，使得零序电压和漏电电阻是完全对应的关系。“零序电压修正法”检测漏电电阻不受系统电容和系统电压对零序电压的影响，速度和精度都得到保证，总开关和分开关统一用一个漏电电阻检测方法，大大提高了漏电保护可靠性。

4.2 多种算法智能选择，综合决策

本保护技术采用3种选择性漏电保护原理进行综合决策，并结合3种算法的优缺点，智能地选择适合具体系统的一种或几种算法。

(1) “零序电流突变量法”：发生漏电时，非漏电支路零序电流互感器检测到的漏电电流是本支路的电容电流，漏电支路零序电流互感器检测到的漏电电流是非漏电支路电容电流之和。把各支路漏电电流和本支路原始的电容电流比较，非漏电支路基本不变，漏电支路发生了根本的变化，“零序电流突变量法”就是用这两种电流的变化量来进行选择性漏电保护。这个方法可以有效地解决长短线悬殊的漏电保护，缺陷是不适用于系统总的电容电流刚好接近一条支路电容电流两倍的网络。

(2) “功率方向原理”：原理前文已有表述，这一原理的缺陷是非漏电的短支路和系统不平衡电流会引起保护误动。

(3) “零序电流相对大小比相法”：首先找出零序电流排名前三的3条支路，排除了非漏电短支路和不平衡电流对判据的影响；再比较上述3条零序电流的相对相位决策漏电支路。这一方法解决了前二种算法存在的问题，其缺陷是对支路数有限制:不得少于3条。

3种算法各有优缺点，任何一种算法都无法满足全部漏电工况。本保护技术根据具体系统智能选择适合本系统的算法，提高了选择性漏电保护的可靠性。

4.3 分散性漏电保护原理

整个供电网络中所有用电设备是并联接线方式，并联电路中电阻小的支路分流大。发生多点漏电相当于在相和地之间并联了多个电阻，系统总电容电流分配到每条支路的多少是由各漏电支路的漏电电阻大小决定的，“漏电电流大者优先”原理保证漏电电阻最小的支路优先动作而实现分散性漏电保护。

4.4 接触电压的监测原理。

漏电电阻为零时的漏电电流计算公式为：

Ic=j3UωC

式中，U为系统相电压；C为系统电容。

设定接地电阻10 Ω，GB50070-2009规定接触电压不超过36 V，则有：

30UωC<36,C<1.2/(Uω)。

380 V系统，计算得：C<17.37 uf。

本保护技术实时监视系统电容，系统电容大于17.37 uf则保护动作于跳闸，系统电容不大于17.37 uf，保护动作于发信。满足GB50070-2009的要求，实现了对接触电压的监控。

4.5 终端漏电保护原理：

本漏电保护技术采用载波技术解决终端设备的漏电保护。漏电时，安装在变电所的漏电保护主设备在系统中加入载波信号，该信号只经过故障支路，每个支路上的终端漏电保护通过检测载波信号实现选择性漏电保护。

4.6 满足金属与非金属矿山低压系统要求的漏电 保护设备

JD1000低压漏电保护系统是专门针对金属与非金属矿山低压系统设计，采用上述漏电保护原理的漏电保护设备。该系统由JD1000低压漏电保护装置和JDZ低压漏电断路控器两部分组成，2种设备的安装位置见图2。

(1) JD1000低压漏电保护装置：该漏电保护装置采用“零序电压修正法”统一漏电电阻检测，采用多种算法智能选择和综合决策的智能型选择性漏电保护原理，实现长短线悬殊和分散性漏电的漏电保护，实现了对接触电压的监控。

图2 JD系统设备配置

安装在变压器所在的变电所，是集中控制模式漏电保护装置，实现对变压器下的母线和支路选择性漏电保护。

(2) JDZ低压漏电断路控制器：该设备和JD1000配合，运用载波技术实现终端设备的漏电保护。该设备已经把这种终端漏电保护技术和断路器融合在一起，代替原来的断路器，安装在变电所出线的下级出线或用电设备终端的控制回路上，当发生漏电时，及时跳开漏电设备，最大限度地缩小停电范围。

5 结束语

漏电保护是重要的电力保护设备，根据金属和非金属矿山低压系统的特点研究漏电保护设备，实现中央变电所、采区变电所和负荷端的多级漏电保护，对提高供电可靠性和保护人身安全有十分重要的意义。目前JD低压漏电保护系统已经在安徽金安矿业、金川集团股份有限公司、陕西太白金矿等金属矿山广泛应用，并取得了理想的使用效果。

[1] GB 50070—2009.矿山电力设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2]王小华.低压漏电保护新技术的研究[J].煤矿机电，2008(1)：52-56.

[3]居玉蒋，郭守生.新集一矿小电流接地检测系统的改造[J].工矿自动化,2008(10):91-93.

[4]范冬梅.三极与四极漏电保护器的选型与应用[J].电子技术与软件工程，2014(7)：159.

[5]江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与应用技术[M].北京：中国电力出版社.2006.

2017-08-21)

王小华(1960-)，男，江苏溧阳人，工程师，从事电力自动化方向的研究， Email：fwtxh@vip.163.com。