基于零序电流有功、无功分量的选择性漏电保护研究

2022-06-14蒋军JIANGJun

价值工程 2022年19期

蒋军 JIANG Jun

（淮南职业技术学院，淮南 232001）

0 引言

选择性漏电保护是是煤矿井下供电的三大保护之一，也是防止人身触电事故的重要措施。在煤矿井下高压线路的漏电保护常选用选择性漏电保护，指当系统发生了漏电故障时，可以只对故障支路进行跳闸，而其他非故障支路工作正常不受影响。这样可以有效的把停电范围控制在一条线路之内，便于对漏电故障进行的查找，满足保护的可靠性与选择性。随着煤矿的开采距离加长，漏电电容电流不断加大，多数矿井系统采用了中性点经预调或者随调式消弧线圈接地方式，由于其补偿作用，对选择性漏电保护系统的正常工作产生了一定的影响，造成错选或误选的发生。因此，首先要研究漏电时的电气特征，并根据这些特征量进行漏电保护的设计。

1 煤矿井下电网漏电故障分析

我国煤矿井下供电多采用了中性点不接地或中性点经预调式及随调式消弧线圈接地运行方式，在一定程度上这种接地方式可以减小漏电电流保护人身安全。但是由于消弧线圈的补偿作用，漏电故障时，零序电流与中性点电阻接地或不接地方式相比，电流明显减小因此对漏电的判断或者选线都有一定的影响。为了更好的完成漏电保护功能，要先对漏电过程的各参数变化进行分类分析。

图1为我国煤矿高压多支路辐射式供电系统，我们假设它由L1、L2、L3这三条支路构成，而LH1、LH2、LH3为零序电流互感器安装在各条支路上。忽略系统的绝缘电阻，我们假设每条线路三相对地电容均相等，分别用C1、C2、C3表示。

为分析方便，把中性点不同接地方式均在图1中表示，这里L是消弧线圈的补偿电感，RN是消弧线圈并联电阻。为零序电压，、表示支路1，2（非故障）的电容电流，表示为故障线路零序电流始端测量值，当RN=∞且L=∞时，表示中性点不接地；当RN=∞且L≠∞时，表示中性点经消弧线圈接地；当RN≠∞且L≠∞时，表示中性点经消弧线圈并联电阻接地；当Rd≠0，表示漏电故障经过渡电阻；Rd=0，表示金属性接地。这里假设在L3支路A相发生（单相）漏电故障。

图1 接地方式及零序电流图

1.1 中性点不接地系统单相漏电分析

当线路L3的A相发生漏电故障时，接地电流的分布及零序等效相量如图2所示。

图2 中性点不接地系统零序电流图

式中：CΣ为全系统中每一相对地电容之和，CΣ=C1+C2+C3；

总结以上分析结果，可得出此时故障特点如下：

①当系统发生漏电时，各支路均有零序电压出现；

②所有非故障支路流过的零序电流与各自支路上电容电流相等，方向为从母线到线路，超前零序电压相位90°；

③而故障线路的零序电流值较大，且与非故障支路相反方向，为非故障线路容性电容电流的和。在相位上滞后零序电压90°。

1.2 中性点经预调式消弧线圈系统单相漏电分析

在中性点经过预调式消弧线圈接地系统中，若系统发生漏电，其零序等效相量关系如图3所示。

图3 中性点经预调式消弧线圈接地系统零序电流图

①对于没有发生故障的支路，其零序电流的特点与中性点不接地系统相比没有发生变化；

1.3 中性点经随调式消弧线圈接地系统单相漏电分析

此时，仍以图3为我们的研究对象，故障发生时，零序相量如图4所示。

图4 中性点经随调式消弧线圈系统零序电流图

①对于非故障线路，零序电流的特点仍与前两种情况下相同；

2 现有选择性漏电保护存在的问题

现有的很多选择性漏电保护策略，例如：首半波法、暂态电流方向法、零序电流的幅值比较法、负序电流法等多是对漏电故障的暂态或稳态的参量单独分析和判断的，在煤矿井下复杂多变的供电环境下，较容易出现误动和拒动。

由于在高压防爆开关保护器中无法实现群体比幅、比向，在没有另配故障选线装置的情况下，仅依靠单一方法很难实现准确的选择性漏电保护。有些方法也因为硬件条件的限制而不能很好的实现。受接地方式的影响要建立起一个统一的选择性漏电保护方法一直是个不易解决的问题。多数情况要受到实际条件的限制，不能完全保证保护的不误动和不拒动。因此，应当结合多种保护方法各自优点和使用场合，并结合现有的现场条件，对漏电保护进行一个统一的判定方法，使其可以作为不受接地方式与消弧线圈补偿方式影响的选择性漏电保护。

3 基于零序电流有功无功分量的选择性漏电保护设计

根据上述分析，我们发现零序电流的有功分量法与零序电流的无功分量法在适用范围以及工作方式方面有着很强的互补性。据此，可以综合利用两者的特点实现一种能够适应不同接线方式与消弧线圈补偿方式的选择性漏电保护。

对于中性点经消弧线圈并（串）电阻接地方式的供电系统，由于在线路中存在对地电导以及消弧线圈所存在电阻损耗，接地故障发生时，零序有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，因此常采用零序电流有功分量选择性漏电保护原理，

据式（3）故障支路L3始段流过的零序电流为：

非故障支路L1、L2零序电流为：

故障支路L3零序电流有功分量为：

非故障支路L1、L2零序电流有功分量为：

因此通过对零序有功分量的计算可以判断该条线路是否有漏电发生。当采用中性点不接地系统时，由于IRN量很小，所以判断无效。

根据以上分析可知，仅当中性点经消弧线圈串（并）电阻接地系统中，才可以得到零序电流的有功分量I03gY＜0，而在中性点不接地系统中有I03gY＜0。因此可知，通过判断零序电流有功分量I03gY，通过其值的大小即可判断是否发生了漏电。若其值小于零可以判断为中性点经消弧线圈接地并且发生了漏电故障。而当其值为零，则可以判定系统为中性点不接地系统或者未发生接地短路故障这两种情况。在零序无功的判断上，若其值小于零可以判断为中性点不接地系统的故障支路，若大于零则为非故障支路。因此通过上述两种零序电流分量的判断，我们既可以判断出故障线路又可以知道中性点的接地方式，并且不受接地方式的影响。

综合以上结论，对于选择性漏电保护我们可以通过下面的方法进行判断。

零序电流有功分量计算公式：

式中：I0为实测零序电流；φ为零序电流与零序电压间的角度；这里可以设定M，作为零序有功分量法的阈值且M＜0。零序电流无功分量计算公式为：

式中：I0、φ和同式（10）；可设定为零序电流无功分量法的阈值且N＜0。

为了进一步保证漏电保护的可靠性，故障支路判据中可以引入零序电压，作为零序有功无功分量法的选择性漏电保护启动值，也就是说，只有当零序电压满足整定值时才进行零序有功无功的判断。

其原理流程图如图5所示。这里的U0M可作为保护的启动值。

图5 基于零序有功无功分量的选择性漏电保护流程

此种漏电保护判断方法优点在于：

①保护方式不受消弧线圈补偿方式的影响，因为采用了零序电流有功分量的判断方法无论消弧线圈处于何种补偿方式，零序有功分量始终是不变的。选择合理的阈值即可满足保护的条件。②不受接地方式影响，可通过流程自行判断系统为何种接地方式，并进行漏电故障的判断。因此无需人为的设定接地方式。只需设定M、N值即可实现。由于上述判定方法是在理想条件下进行的，而实际应用中存在着一些因素的影响。可能造成一定的误差。①电流互感器的角特性影响。在实际的应用中，零序电流互感器的一次侧输入与二次侧输出的角度并不一致，通常情况下会存在一定角度的偏移。这为零序有功和无功的计算判断造成一定的误差。对于这种误差可通过测量进行矫正，但是对于现场的保护通用性会造成一定的影响。②由于在零序有功分量判断中，通常测量值比较小，由于零序电流互感器在工作值偏小或者偏大时会存在一定的非线性，这样对于判断也会受到一定的影响。另外，谐波也会对较小的测量值有一定的影响。③电缆绝缘电阻的影响。电缆的绝缘电阻是会随着系统电压等级的变化而变化的，而且时间的增加也会使的阻值变小，这样判据中M值不能完全固定，存在一定的变动。