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1、1/43 目录 摘要错误!未定义书签。1.绪论 6 1.1 我矿井供电系统的基本状况 6 1.1.1 矿井供电系统电压等级 6 1.1.2 矿井供电系统基本结构 6 1.2 矿井供电系统选择性漏电保护的重要性 7 1.3 本设计的主要工作 9 2 选择性漏电保护装置 9 2.1 产生漏电的原因分析 9 2.2 中性点不接地系统单相接地故障选线方法分析 10 2.2.1 零序电流比幅法 10 2.2.2 零序电流相对相位法 10 2.2.3 附加直流电源检测法 14 2.2.4 群体比幅比相法 19 2.2.5 零序功率方向法 19 2.2.6 五次谐波分量法 19 2.2.7 各次谐波平方和法
2、 20 2.2.8 首半波法 20 2.2.9 小波分析法 20 2.2.10 拉路法 20 2.2.11 注入信号寻迹法 21 2/43 2.2.12 注入变频信号法 21 2.2.13 基于模式识别的选线方法 21 2.2.14 零序有功功率法 22 2.3 选择性漏电保护装置的基本要求 22 3 漏电保护机理分析 24 3.1 漏电电流的产生 24 3.2 漏电保护系统的原理及组成 25 4 系统硬件设计 27 4.1 AT89C52 单片机的性能及特点 27 4.2 主体硬件结构电路 28 4.3 零序电压和零序电流变送器的设计 29 4.3.1 零序电压互感器的选择 29 4.3.2
3、 零序电流互感器的选择 29 4.3.3 低通滤波器设计 29 4.3.4 信号调理电路设计 30 4.4 复式电源设计 31 4.5 功率驱动电路设计 33 4.6 漏电电流检测电路 33 5 系统的软件设计 34 6 系统抗干扰设计 37 6.1 硬件抗干扰 37 6.1.1 电源系统抗干扰设计 38 3/43 6.1.2 信号处理通道抗干扰 38 6.1.3 电磁辐射抗干扰 38 6.1.4 电路板抗干扰 39 6.2 软件抗干扰 39 7 结论 40 致谢 41 参考文献 42 4/43 摘要 我国对漏电保护的研究是从煤矿井下低压电网的漏电保护开始的，至今已有40 余年的历史。四十余年
4、的实践证明，它对我国矿井安全供电发挥了巨大的作用，它已成为我国矿井电网安全供电的不可缺少的组成部分。正因为它在安全供电方面的作用重大，因此，漏电保护已陆续在各行各业的供电网中安家落户。选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择性地发出故障信号或切断故障支路电源，而非故障部分继续工作，从而减小故障停电 X 围，便于寻找漏电故障点，缩短漏电停电时间，提高了供电的可靠性。传统保护采用中性点经消弧线圈接地的谐振电网运行方式，这种方法给系统带来重大利益的同时，也减小了故障线路与非故障线路零序电流的差别，特别是自动跟踪补偿消弧线圈的使用，使得传统的漏电保护方法很难达到选择性保护的目的。本设计提出了
5、一种基于零序电流特征量的选择性漏电保护，供电线路通过检测零序电流信号来实现有选择性的关断发生漏电的线路，而不切断整个的供电网络，实现供电的最优化。关键词:矿井供电;零序电流;单片机;信号;5/43 Abstract China leakage protection leakage protection low-voltage grid from coal mine,has been more than 40 years of history.40 years of Practice has proved that it is Chinas mine safety supply played a
6、 huge role,it has bee an integral part of the mine grid security powered.Play an important role in the security of electricity supply and,therefore,leakage protection has started to settle in for the grid in all walks of life.Selective leakage protection grid leakage fault occurs,there is a fault si
7、gnal or cut off the fault slip power,rather than the fault part to continue working,thereby reducing the scope of failure power failure,easy to find the leakage point of failure,shorten leakage outage time and improve reliability of power supply.Traditional protection with the neutral point by the a
8、rc suppression coil grounding resonant operation mode,this method is to bring significant benefits to the system at the same time,reduces the difference between failure and non-fault line zero-sequence current,in particular,auto-tracking pensation the use of the arc suppression coil,making the tradi
9、tional leakage protection difficult to achieve the purpose of selective protection.This design of a selective leakage protection based on the characteristic quantities of the zero-sequence current,power lines by detecting the zero-sequence current signals to achieve selective shutdown leakage line w
10、ithout cutting off the entire supply network,to achieve supply is optimal.Key words:mine supply;zero sequence current;microcontroller;signal;6/43 1.绪论 1.1 我矿井供电系统的基本状况 1.1.1 矿井供电系统电压等级 从矿井供电系统电压等级上划分，我国供电系统经历了由 380V 到 3300V的四个发展阶段。20 世纪 60 年代以前，由于我国煤矿主采用炮采方式生产，井下采煤电气设备简单，装机容量小，供电电压为 380V。随着 80 机组的使用
11、，380V的供电电压就已经难以满足 80 机组的供电需求。1964 年原煤炭工业部组织人员成立了煤矿工作面升压工作组。经过多次试验，确定将煤矿工作面供电电压提高到 660V。70 年代，以液压支架和滚筒式采煤机为主体的综合采煤机械化设备引进并投入煤矿生产。这样一来，进一步提高采煤工作面供电电压，以适应煤矿生产需要的问题又被提上议事日程。我国煤炭行业的科研人员和煤机生产企业经过近十年的努力，研制出了千伏级的采煤工作面供电系统的全部装备，80 年代以来，我国煤矿向提高采煤工作面单产、实现集中化生产和减人减面的目标迈进，不断地更新采煤工作面的装备，使综采工作面设备的装机容量不断增大，出现了一批总装机
12、容量已达 1500kw2000kw 的新型高产的综采工作面。1991 年 11 月原煤炭工业部确定将我国煤矿综采工作面供电电压由1140V 提高为 3300V。由此可见，随着采煤工艺的不断进步，生产规模和生产能力的不断提高，矿用生产设备对电网供电能力不断提出的新要求是促使煤矿供电系统电压等级提高的原动力。1.1.2 矿井供电系统基本结构 当我国矿井绝大多数采用 6kv 或 10kv 双回路直接下井，连接到不同容量的井下动力变压器，将高压降压为 380v、660v、1140v、3300v 动力电压等级再由不同型号的矿用电缆连接大容量移动变电站，多控制智能化组合开关、馈电开关或磁力启动器等配电用电
13、设备组成井下配电网络，配合以各种综合保护设备，向井下通风器、采煤机、刮板输送机、机、破碎机和带式输送机等生产设备供电。7/43（1）普遍采用中性点不接地方式 煤矿供电之所以采用这种中性点绝缘的低压系统，是因为煤矿的生产条件和工作环境都十分恶劣，空气潮湿，空间狭小，很容易发生由于设备受潮而绝缘老化或电缆由于受到外力挤压破损而造成单相接地或人身触电现象。对于中性点不接地系统，发生单相接地故障时，由于大地不像中性点接地系统那样是同电位，所以不会造成相间短路那样的大电流，这样不仅减小了人身触电电流，而且避免了在发生短路接地故障时产生放电火花所可能引发的瓦斯爆炸。同时中性点绝缘系统发生单相接地时，三相电
14、之间仍保持线电压不变，生产设备可短时继续正常工作，不会造成因故障停电而引发的生产停顿。（2）一台动力变压器即为一个相对独立的供电单元 井下电网的构成需要使用多台动力变压器。虽然这些动力变压器的高压侧是数台联在一起，统一由 6KV 或 10KV 电缆供电，但它们的低压侧彼此在电气上却没有什么联系，即采用的是所谓的分列运行方式。每一台动力变压器和若干低压馈电开关、磁力启动器、矿用电缆、电动机等用电设备一起组成一个小的相对独立的供电系统。多个这样的小的供电单元构成了整个井下低压电网。这种供电单元之间的电气上的无关性，为分析供电单元故障和保护装置的运行提供了极大的方便。这一点对漏电保护的实现极为重要。
15、（3）供电方式有放射式、干线式和环式三种 放射式就是以动力变压器为中心，分别向各个用电设备引出专线的供电方式。各供电回路之间彼此独立，供电回路间出现了故障互不影响，但这种供电方式线路总长度较长。干线式供电是以动力变压器为起点，用一条线路把各个用电设备按从近到远的原则串联起来。这种方式可节约大量电缆，但一旦某段线路出现了故障，将造成以后各段被迫停电。环式电网可开环运行也可闭环运行，其主要特点是不易发生故障，供电可靠性高。由于这种供电方式适应实际供电需求的灵活性要求，所以被广泛应用。1.2 矿井供电系统选择性漏电保护的重要性 在矿井中，大部分供电线路为电缆供电，井下空间狭小，环境恶劣，阴暗潮湿，供
16、电电缆的受潮和机械损伤使电缆经常发生单相漏电故障。因单相漏电而出8/43 现过电压的几率更大，加上井下电缆潮湿和易受到挤压碰撞，电缆绝缘情况较地面更差，承受过电压的能力也差。当煤矿供电电网发生单相漏电特别是单相接地时，在接地处极易引起电弧接地过电压，很可能击穿供电电缆的绝缘薄弱处，造成两相接地短路并且还可能导致瓦斯、煤尘爆炸、甚至使电气雷管提前引爆。装设漏电保护装置对矿井安全生产极为重要。主要体现在：（1）防止漏电流引燃瓦斯和煤尘 当空气中的瓦斯浓度在 5%15%，氧气浓度适当，并遇上点火源时，便会引起爆炸。电缆与其他井下电气设备相比更易受损。当电缆受损后，由于绝缘被破坏，便有漏电流。漏电流就
17、有可能成为点火源。由于瓦斯的可能点燃能量很低，仅为 0.28mj。因此，及时有效的漏电保护装置可降低漏电电流引燃瓦斯、煤尘的可能性。（2）防止漏电流引爆电气雷管 漏电流可能会造成电气雷管的引爆，并造成重大事故。由于一般引爆电气雷管的电流大于人身触电安全电流，因此，满足人身触电无伤亡要求的漏电保护必然能防止漏电流引爆电气雷管。（3）防止漏电流烧损电气设备 对于高压电路，由于电网分布电容大、电压高、漏电流大。因此，漏电流的长期存在可烧毁电气设备。尤其是橡胶电缆，如果单相漏电故障不及时处理，则其漏电流可能会使电缆的绝缘受损而发展成两相短路，使故障事态扩大。对于低压电路，由于漏电电流小，一般漏电电流不
18、能直接烧毁电气设备。但是由于漏电设备长期存在，电气设备局部发热使其绝缘局部老化严重，必将大大缩短电气设备使用寿命，而漏电保护则使电网不可能长时间的存在漏电电流。因此可有效地防止漏电电流烧损电气设备。而对于漏电保护全世界通行的保护方法有保护接地、保护接零法、隔离变压器法、超低电压法、双重绝缘法，位置绝缘法以及依靠漏电保护电器来切断漏电事故的漏电分断法。漏电保护电器法是以上诸多方法中最行之有效的漏电保护法。纵观世界漏电保护器的发展历史，经济发达国家在20 世纪 6070 年代就基本普及漏电保护器。我国在 90 年代末城市中也基本普及了漏电保护器。根据统计结果，对于普及了的漏电保护器的国家和地区，漏
19、电事故明显下降，漏电保护9/43 器的保护成功率明显高于其他保护法法，虽然略低于隔离电压器法和超低电压法，但后两者适用面窄且成本高，不宜普及，大大限制了他们的推广和使用。因此，用漏电保护器来降低漏电事故的方法是我们的首选。选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择性发出故障信号或切断故障支路电源，而不是故障部分继续工作。从而减小故障停电 X 围，便于寻找漏电故障，缩短漏电停电时间，提高供电的可靠性。1.3 本设计的主要工作 此设计的主要工作是通过漏电线路的零序电流进行检测与分析，并对其特性的分析来研究应对措施及保护方法，设计一个用单片机来实现对漏电零序电流的检测、处理、以及放大传送，并
20、执行终止命令使漏电部分终止供电。2 选择性漏电保护装置 2.1 产生漏电的原因分析 井下供电系统产生漏电的原因，可以概括为一下几个方面：（1）对电气设备、电缆的检查不够细致，操作使用不当造成的漏电；（2）电缆在井下被压、砸、穿刺；过分弯曲电缆使电缆外皮出现裂隙；运行中的电缆盘圆或盘“8”字，导致电缆发热，绝缘老化，绝缘性能降低。（3）设备、电缆闲置不用时不定期升井检修或干燥，导致设备、电缆受潮，绝缘降低。（4）开关、电机等处在淋水处造成受潮或进水，而使绝缘下降。（5）电气设备、电缆选择不合适，造成长期过载发热，使其绝缘下降。（6）变压器并联运行、电缆线路太长、开关及电机等设备数量太多，而使电网
21、总绝缘水平下降。10/43（7）电缆或开关电器超过额定电压运行，导致绝缘降低或被击穿。（8）电缆与设备在连接时，由于接头不牢、喇叭口封堵不严以及接线嘴压板不紧等原因，使接头在运行中产生松脱而与外壳相连，或因接头发热烧坏绝缘。2.2 中性点不接地系统单相接地故障选线方法分析 选择性漏电保护原理通常不外乎有以下几种：零序电流互感器比幅法、零序电流相对相位法、附加直流电源法、群体比幅比相法、零序功率方向法、零序电流有功分量法、五次谐波分量法、各次谐波平方和法、首半波法、小波分析法、拉路法、注入信号寻迹法、注入变频信号法和基于模式识别的选线方法。除了以上 14 种方法外，还有诸如最大法、静态 DESI
22、R 选线方法、动态 DESIR 选线方法、DDA 选线方法、零序能量法、基于负序电流的选线方法等。多年运行实践表明，以往的选线装置多依靠某一种保护原理，发生漏电故障时经常会造成选择性无法实践，当发生漏电故障时，断开的不仅仅是故障支路，经常总开关也会伴随断开，造成矿山供电系统的大面积瘫痪。利用故障后的稳态分量进行检测，存在的主要问题是接地稳态分量太小，常导致选线装置不能正常动作，而且该方法对中性点经消弧线圈接地电网失效。暂态分量法的主要问题在于暂态过程非常迅速，信号难以捕捉，且受外界干扰影响大，使得实际应用中遇到许多困难。谐波法的问题是谐波含量较小，且在有间接性电弧现象时不稳定。以下我们对这些选
23、线方法加以分析，来选择合适的选线方法。2.2.1 零序电流比幅法 利用故障线路零序电流大于非故障零序电流的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有现在性保护。这种原理在某一线路远远长于其他线路（即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时）的情况下较难满足选择性的要求、同时，当接地点过渡电阻较大时，电容电流较小，装置可能发生拒动现象。该方法不适用于谐振接地电网。2.2.2 零序电流相对相位法 零序电流是选择性漏电保护中使用的最重要的参数之一。本节我们研究发生单相接地故障后，零序电流的数学表达式，通过零序电流方向原理实现故障支路的正确选线，并讨论电流随电网参赛、漏电程度的变化规律。需要指出，由于三1
24、1/43 相电源的中性点不接地，所以无论电网发生什么类型的漏电故障，电网的线电压将不会发生变化。仍是三相对称的。单相漏电和两相漏电均属于不对称故障，故障发生后，电网各相对地电源就不再对称，并且变压器中性点也要发生位移，产生对地电压（零序电压），如果系统中有零序回路，则在回路中就有零序电流流通。中性点不接地配电网发生单相接地故障零序等效电路如图 21 所示，其中为第 n 条线路的相对等效电容，R 为接地过渡电阻。由于相对等地等效电阻值远大于相对的等效容抗值，在实际设计中不会对工作过程造成重大影响，故可忽略不计。故障相电源电压为 U=U Sin（t+）.（21）当发生单相接地故障时，相当于图 21
25、 的零状态响应。图 2-1 中性点不接地配电网单相接地故障零序等效电路 克希荷夫电压定律，当 t0 时，电路中电压和电流的微分方程分别为：UcdtUcdUmSinU*Rct(）(22)dtdUcCi/*(23)dtdUcCnin/*(24)其中 C=(n=1,2,N),N 是线路的条数。解式(22)得：RCtRCteSinCRUmtSinCRSinCRUmeSinaCosaRCCRUmtRCCostSinCRUmUc/5.02225.02225.0222/2222221/11/1/1/(25)其中：=Sin-1RC/(1+2R2C2)0.5解式(23)得：12/43 tCosCRUmCi5.0
26、2221/RCteSinCRRCUm/5.02221/(26)式（26）中，第一项是流过接地导线中的零序基波电流，即稳态分量；第二项是流过接地导线中的零序暂态电流，即暂态分量；两项之和是流过接地导线中的零序全电流。解式（24）得：RCteSinCRRCUmtCosCRUmIn/5.02225.02221/1/(27)式(2-7)中，第 1 项是流过第 n 条线路的零序基波电流，即稳态分量;第 2项是流过第 n 条线路的零序暂态电流，即暂态分量;两项之和是流过第 n 条线路的零序全电流。发生单相接地故障时零序全电流的特点是当配电网发生单相接地故障时，中、C,R 有确定的数值，式(2-6)和式(2
27、-7)中的两项都是时间 t 的函数。在单相接地初期，零序暂态电流的大小与中、R,t 有关，在 t 4RC 时，零序暂态电流衰减到 2%以下，可以认为只有零序基波电流当(D-e 时，无过渡过程，只有零序基波电流。但是，在接地过程中，接地电阻 R 不是固定不变的。当R 变化时，又开始新的过渡过程 cbI。因此，在单相接地过程中，零序暂态电流有可能时有时无，也可能一直存在。比较式(2-6)和式(2-7)，数学表达式系数 C 和不同，因此:（1）两个零序全电流波形相同。（2）两个零序全电流大小相差 i/in=C/倍，接地导线中零序全电流最大。（3）若接地导线中零序全电流从线路流向母线，则非接地导线中零
28、序。根据以上特征，可以利用零序全电流的大小和方向进行故障选线。为了提高选线的准确率，微机选线装置在采集电流信号时必须注意以下 几点:（1）所有线路必须在同一周期内完成采样。（2）采样点数尽量多。（3）各线路对应采样点的采样时间相同。13/43（4）采用集散式并行处理技术准确测量各采样点的量值。利用零序电流来判断供电单元是否发生了漏电，同时，利用各支路的零序电流与零序电压的相位关系来判断故障支路，而后动作，有选择的切除故障支路的电源，这种保护方案就称为基于零序电流方向原理的漏电保护方案。当电网中某支路发生漏电故障或人身触电事故时，由采样电路从电网中取出零序电流信号，经滤波整形后，由比较处理芯片来
29、判别故障支路，最后启动执行电路，切断故障支路的电源，从而实现了有选择性的漏电保护。图 2-2 为发生单相漏电故障零序等效网络。图 2-2 单相漏电故障零序等效网络 其中，r 和 c 分别为线路 Ll,L2,L3 和总馈电开关处线路的每项绝缘电阻和对地电容，用集中参数表示;R。为漏电故障点过渡电阻，设故障发生在电网 A 相，并设漏电故障时电网的零序电压为 U-，规定电流从母线指向线路为正方向。则由图可得到流过非故障支路 L1,L2、总自动馈电开关处线路首端的零序电流分别为 3I01=U0（C3013jr01）=Ir01+Ic01 （28）3I02=U0（C3023jr02）=Ir02+Ic02
30、（29）3I03=U0（C3033jr03）=Ir03+Ic03（210）而通过故障支路 L3 首端的零序电流则为 14/43 033I=-U0IIIICCrrrCCCrj0302010300302013333(2-11)式中C0为全电网一相对地电容之和；C0=CCCC4321 Ir=IIIrrr421 观察式(2-8)一(2-11)与图 2-2 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-Ir，其相位与零序电压差180；非故障支路零序电容电流之和一(Ic01I+Ic02+Ic04),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
31、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 900。由于故障支路和非故障支路的零序无功电流分量相反，因此可利用此特点来实现选择性漏电保护。该方法是基于故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。此法在故障点离互感器较远且线路很短时，零序电压、零序电流均较小会产生“时针效应”，使相位判断困难而且受电流互感器不平衡电流、过渡电阻大小、继电器工作死区及系统运行方式的影响，容易发生误判。并且不能适应谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式，检测可靠性受接地电弧不稳定的影响。2.2.3 附加直流电源
32、检测法 本设计通过附加直流电源原理检测漏电动作值。附加直流电源检测的保护原理如图 2-4 所示。漏电闭锁保护单元由直流检测电源、直流检测回路、信号取样回路、控制执行回路等几部分组成。由于磁力起动器负荷侧线路直接与异步电动机相连，对于直流检测电流来讲，电动机的三相绕组相当于把三相电网连接在一起了。因此，直流检测回路只需要与电网的一相相连接，即可检测三相电网和电动机定子绕组对地的绝缘状况。15/43 图 2-3 附加直流源检测原理图 在 PM 处的直流检测信号为 iPPMdSRRRUU （2-12）式中 RPM为电位器电阻，K;RP为 RARBRC的并联值，K 。Ri为检测回路除电网对地绝缘电阻之
33、外的所有电阻之和，KQ。系统确定后，除Ri。为定值，不随电网绝缘电阻的波动而变化。由此可见，Us 会随 Rp下降线性增长，当 Us 大于门槛电压时，由中央处理单元发出漏电闭锁信号，断开电动机起动控制回路，达到漏电闭锁目的。由此可见当检测电压恒定时，该系统的漏电动作值是非常稳定的。高压硅堆是为防止电动机的反电势串入检测电路而设计的，主回路跳闸后电动机转子由于惯性继续旋转产生电动势，高压硅堆可防止该电动势窜入检测回路损坏其它元器件。控制回路由单片机软件来闭锁磁力起动器的起动，当检测到发生漏电后，置软件标志位，断开磁力起动器的起动回路，使接触器无法合闸 L叫。从而完成漏电闭锁的护功能。附加直流电压和
34、电流的确定，应从以下三方面考虑。1.电阻与外加测量电压之间的关系 电网电压等级不同，需要施加不同的直流电压才能反映其真实的绝缘状况。以 6kV 电网为例，其绝缘电阻与附加直流电压之间的测试数据如表2-1 所示，用这种方法测得的电网对地绝缘电阻称为直流电阻。而采用交流方法测得的绝缘电16/43 阻则称为交流电阻。大量的实测数据表明，绝缘的直流电阻和交流电阻差别很大，前者比后者大许多倍。由于人身触电或单相接地的电流值主要取决于电网对地的交流阻抗大小，因此从表中可看出随着附加直流电压的升高，所测的直流绝缘电阻也越接近实际值。表 2-1 直流绝缘电阻 R 与附加直流电压 U 的变化关系 U(V)20
35、36 52 82 120 177.5 235 R()1000 800 742.8 672.1 571 522 489.5 2.检测回路的本安特性(1)合闸前，如电网存在漏电或单相接地故障，直流检测回路所产生的 电火花不应引起瓦斯和煤尘爆炸。(2)由于附加直流电源的存在，电网对地电容总是充满电的，在发生单相接地或漏电故障时，放电火花能量应小于引起瓦斯或煤尘爆炸所需的最小能量。3.检测电压与人身安全的关系 电网停电后，工人可能进行电气设备的维修工作，如果直流检测电压过高，一旦人身接触，便可能发生触电危险。因此，检测电压不宜过高。本着以上几条原则，根据爆炸环境电气设备“本质安全性电路和电气设备”规程
36、，有关矿用 I 类电气设备对电容性电路的规定，电容量 C 和最小点燃电压 U曲线，可得 1.5F 电容量最小点燃电压为 100V，若安全系数按 2.5 折算，所设计的直流工作电压为 100/2.5=40V。利用三相调压器，测试 75%UN、UN、115%UN时的电压值如表 2-2 所示。表 2-2 不同电压下漏电信号的测试值 U/V UA/V UB/V UC/UD/UE/42 46.1 41.4 16.1 24.1 40.2 17/43 50 54.8 48.2 16.2 24.2 40.4 55 60.2 52.2 16.2 24.2 40.4 从上述表中的数据分析可知，当电网电压在 75%
37、UN-115%UN内波动时，直流检测电压 40V 比较稳定的。此外，还要考虑到直流检测电流也不宜过大，当发生电网单相接地时，直流检测回路电流为：I=U/Ri=40V/43.6K=0.91mA (2-13)式中Ri为附加直流检测系统内部回路电阻由图 2-5 可得，Ri=R2+RPM=43.6K 所以接地电流仅为 0.91mA，满足本回路的要求。漏电闭锁动作电阻值是根据漏电动作值确定的，而漏电动作值的确定是一保证人身触电的安全性为前提的。在如图 2-5 所示的电网中，假设：ra=rb=rc=r，根据安全规程规定，我国煤矿井下人身触电安全电流值为 30mA。在不考虑电网电容的情况下，流过的人体电流为
38、：rRUIhh33 （2-14）式中，Ih为流过人体的电流，U 为电网相电压，r 为电网没相对地漏电电阻(三相对称)，Rh为人体电阻，取 1K。图 2-4 人身触电电流计算图 18/43 在 6kV 供电电压下，流过人体电流按 30mA 计算，便可确定出允许的电网最低漏电电阻值为 rmin=3U/Ih=600k(2-15)考虑到三相电网的漏电阻对直流而言为并联通路，则漏电动作电阻值 Rse=rmin/3=200k （2-16）实际采用 200k 0，从而得漏电闭锁的动作电阻值为 400 k。该系统适用于 6kV 电压等级的电网，它是通过在程序中设置不同的比较值来实现的。系统试验:依据附加直流电
39、源检测的保护原理及所设计的直流电源，当电网电压为6kV时，而对地电容分别为0.1F 和 1F 时，可测得UL.与漏电电阻RL 的对应值如表2-3、2-4所示 表 2-3对地电容 C=0.1F，UL与 RL的对应值 RL/K UL/V RL/K UL/V 0 4.8 120 1.173 20 3.18 270 0.625 40 2.37 680 0.266 80 1.573 1000 0.181 表 2-4 对地电容 C=1F，UL与 RL的对应值 RL/K UL/V RL/K UL/V 0 4.81 120 1.174 20 3.17 270 0.624 40 2.37 680 0.265 8
40、0 1.574 1000 0.182 上表的测试数据可见:(1)电网对地电容对附加直流检测没有影响，即它不会影响漏电闭锁动作电阻值。19/43(2)可用 U 的高低来间接反映电网的绝缘水平。由漏电闭锁电阻值 R,=400k Q，可得出漏电闭锁门槛电压 U,=23.7V。将人为加设的滑线变阻器的阻值慢慢下降时，系统即模拟电网发生漏电故障，显示屏显示“06”，即第六号供电单元发生漏电。试验结果如表 2-5 所示:表 2-5 不同电压下漏电闭锁测试值 电压/V 单相闭锁电阻值 单相解锁电阻值 要求值 K 测试值 K 要求值 K 测试值 K 0.75UN 400+8 420 600 420.5 UN
41、400+8 420.4 600 430 1.15 UN 400+8 420.8 600 430.6 表中数据为 10 次测量平均值，由测试值可以看出闭锁电阻值符合标准规定。2.2.4 群体比幅比相法 该方法是先对零序电流进行比较，选出几个幅值较大的作为候选(希望通过选大的电流来避免然后在此基础上进行相位比较，“时针效应”，但实际上不能完全避免)，选出方向与其它不同的，即为故障选线。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流及过渡电阻大小的影响。2.2.5 零序功率方向法 零序功率方向保护原理利用故障线路零序电流滞后零序电压 900 非故障线路零序电流超前零
42、序电压 90。的特点来实现的。目前采用这一 原理实现故障选线的装置在实际电网中应用较多，但对中性点经消弧线 圈接地的系统该原理失效。2.2.6 五次谐波分量法 20/43 检测五次谐波大小和方向的方法基于以下理论:由于故障点、线路设备非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，根据谐波在整个系统内的分布和保护的要求，使用五次谐波分量为益。由于消弧线圈是按照基波整定的，即有 L1/C，所以 5L1/5C，即消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时的 1/25，可忽略它对五次谐波产生的补偿效果。因此可根据故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大，且方向相反的特点达到选线目的。该方法的缺点是五次谐波含量
43、较小(小于故障电流的 10%)，且在有间歇性电弧现象时不稳定。2.2.7 各次谐波平方和法 各次谐波平方和法是先将零序故障电流中的 3,5,7 等谐波分量求和，然后比较各条线路电流幅值的大小，选出幅值最大的即为接地线路。该法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解决问题，因为负荷中的五次谐波源、电流互感器中不平衡电流和过渡电阻的大小，均会影响选线精度。2.2.8 首半波法 首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，它利用故障线路暂态零序电流和电压初始阶段极性有一段时间相反的特点实现选线。但故障发生在相电压过零值附近时首半波电流的暂态分量值很小，所以该原理不
44、能反映相电压较低时的接地故障。且受接地过渡电阻影响较 XX 时也存在工作死区。2.2.9 小波分析法 小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取故障特征。根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号，小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特
45、征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。2.2.10 拉路法 21/43 小电流接地系统发生单相接地故障时，继电保护装置发出报警信号，此时断路器不跳闸。值班人员听到报警信号后，逐次断开各线路的断路器，当断开某一线路时，若报警信号不消失，则表明该线路不是故障线路，立即合上断路器，恢复供电;若报警信号消失，则该线路即为故障线路。此方法的缺点是故障后需短时停电才能确定故障支路，与小电流接地系统供电可靠性高的优点相违背。2.2.11 注入信号寻迹法 利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向接地线路注入一个特定的电流信号(不同于故障时线路中己有的信号
46、特征)，由于注入信号会沿着接地线路经接地点注入大地，用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。该方法利用处于不同工作状态的接地相电压互感器 TV 注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行，但注入信号的强度受电压互感器容量限制，接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征，给检测带来困难。2.2.12 注入变频信号法 对“注入信号寻迹法”高阻接地时存在的问题，应用注入变频信号法可较好地解决。其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，选择是向消弧线圈电压互感器副边注入
47、谐振频率恒流信号，还是向故障相电压互感器副边注入频率为 70Hz 的恒流信号，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流相角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可选出故障线路。但当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大。2.2.13 基于模式识别的选线方法 其原理是将故障后各线路的零序电流看成某类故障的一个模式，通过神经网络对样本的训练与学习判断此故障模式所属类别选线。此方法本质上是对信息的并行处理，具有较强的自适应性和容错性，比传统的群体比幅比相的选线方法更为有效，即有更高的精度。但此种理论仍不成熟，实现困难，有待进一步研
48、究。22/43 目前随配电自动化技术的发展，为选线技术提出了新的要求，需要研究基于就地测量量的保护方法。现场运行表明:上述方法都或多或少的存在一定的局限性，如:(1)单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往较其到几十倍，若提取暂态信号中的特征分量则有望显著提高选线精度。(2)目前，在能获得零序电流情况下的选线理论是比较完善的，但我国电力系统中只装设两相 CT 的架空出线的数量很大，在许多情况下难于获得零序电流，多数选线方法失效。虽然负序电流选线可以发挥效应，但这种方法会受到不对称负荷和单相冲击负荷的影响。所以对只有两相装 CT 的出线适用的选线原理还有待于进一步研究。(3)近年来，利用各种故障信
49、息，把各种保护综合起来考虑的方法，如信息融合技术等正在引起人们的关注，这些研究刚刚起步，占主导的仍是最基本的故障选线方法。2.2.14 零序有功功率法 电网的线路及消弧线圈对地有电导，故障电流中含有有功分量，非故障线路和消弧线圈产生的有功分量方向相同且都经过故障点返回，因此利用故障线路有功分量比非故障线路有功分量大且方向相反的特点可选出故障线路。对于中性点不接地系统，该保护原理实质上是零序功率方向保护原理的延伸，但经过上述处理后，相当于将原有的零序电压、零序电流的比相 X 围从原有的 90。扩大到 180“从而创造了更好的选线条件。对中性点经消弧线圈接地系统，目前主要采用消弧线圈串联电阻运行的
50、派生接地方式，且消弧线圈本身的有功成分较大(实测单相接地时其有功电流达 1-2A)，发生单相接地故障时，非故障线路不与消弧消弧线圈构成低阻抗回路，故其零序电流为本身的接地电容电流;故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，所以其零序电流为所有非故障线路的接地 2.3 选择性漏电保护装置的基本要求 选择性漏电保护是指当电网的某一支路发生漏电故障时，漏电保护系统仅使开关切断漏电故障所在支路，并保证非漏电故障支路正常供电。它大大减小了由23/43 漏电故障而引起的停电 X 围，提高了供电的可靠性。此外，选择性漏电保护还有助于寻找漏电故障，便于迅速处理，有利于提高生产效率。选择性漏电保护装置的基本要求