金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)新技術(shù)的研究

王小華，張敏艷

(溧陽市福沃特電力自動化有限公司， 江蘇 常州市 213300)

金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)新技術(shù)的研究

王小華，張敏艷

(溧陽市福沃特電力自動化有限公司， 江蘇 常州市 213300)

分析了中性點不接地系統(tǒng)常規(guī)的低壓漏電保護(hù)原理和金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)的特點，指出金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)應(yīng)用中存在的問題及其產(chǎn)生的原因，提出了一種滿足金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)需求和符合國標(biāo)要求的新的漏電保護(hù)原理，以及應(yīng)用這種原理生產(chǎn)的漏電保護(hù)設(shè)備，可以實現(xiàn)變電所出線和設(shè)備終端分級選擇性漏電保護(hù)。

低壓；漏電保護(hù)；電力設(shè)計；漏電裝備

《礦山電力設(shè)計規(guī)范》(GB50070-2009)關(guān)于漏電保護(hù)規(guī)定“低壓配電IT系統(tǒng)均應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置”, 當(dāng)“預(yù)期接觸電壓超過36 V時，防護(hù)裝置應(yīng)迅速地切斷故障線路”。這提出了兩方面的要求：一是明確要求金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)安裝漏電保護(hù)設(shè)備；二是明確指出接觸電壓是確定漏電保護(hù)動作于發(fā)信或跳閘的依據(jù)。

近年來，新建礦山都增加了漏電保護(hù)的設(shè)計，老礦山也相繼進(jìn)行了漏電保護(hù)改造。但是由于沒有滿足金屬與非金屬礦山要求的漏電保護(hù)設(shè)備，普遍存在選型不正確的問題：錯誤地使用了四極型斷路器漏電保護(hù)、盲目使用其他領(lǐng)域的漏電保護(hù)。絕大多數(shù)金屬與非金屬礦山的低壓系統(tǒng)未能實現(xiàn)有效的漏電保護(hù)。

GB50070-2009增加了接觸電壓作為確定漏電是否跳閘的依據(jù)，這是根據(jù)保護(hù)人身安全電壓確定的。但是接觸電壓如何計算，與哪些因素有關(guān)，目前還未見監(jiān)測接觸電壓的漏電保護(hù)的研究成果。金屬與非金屬礦山低壓不接地系統(tǒng)需求的漏電保護(hù)是礦山供電亟需研究的課題。

1 中性點不接地系統(tǒng)常見漏電保護(hù)原理

1.1 漏電電阻檢測原理

中性點不接地系統(tǒng)判斷漏電依據(jù)是系統(tǒng)對地電阻，在不同電壓等級確定不同的漏電電阻動作值這是間接保證接觸安全電壓。在中性點不接地系統(tǒng)中漏電點電流是電容電流，《礦用隔爆型檢漏繼電器》中限制了系統(tǒng)電容，漏電電阻是決定接觸電壓的唯一因素。在電網(wǎng)中，漏電電阻不能直流測量，只能通過可以實測的量計算得到，漏電電阻檢測存在的問題是現(xiàn)有漏電保護(hù)技術(shù)可靠性差的主要問題。

漏電電阻的檢測的主要方法有“附加直流電壓法”和“零序電壓法”兩種，分別滿足總開關(guān)和分開關(guān)對動作時間的要求，《礦用隔爆型檢漏繼電器》規(guī)定總開關(guān)漏電保護(hù)動作時間是200 ms，分開關(guān)漏電保護(hù)動作時間是30 ms。

1.1.1 “附加直流電壓法”原理

“附加直流電壓法”的原理是歐姆定律。通過三相電抗器將直流電源疊加在系統(tǒng)中，漏電時直流電源通過漏電點和大地形成回路而產(chǎn)生直流電流，通過檢測直流電流根據(jù)歐姆定律直接計算出漏電電阻。

1.1.2 “零序電壓法”原理

零序電壓是中性點不接地系統(tǒng)漏電的顯著特征。在系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電容不變的前提下，零序電壓隨漏電電阻的降低而增加。在系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電容變化不大時，保護(hù)通過檢測零序電壓來估算系統(tǒng)漏電電阻。

1.1.3 現(xiàn)有漏電電阻檢測原理的缺陷

“附加直流電壓法”檢測漏電電阻響應(yīng)速度慢。直流電源是通過一個感抗很大的三相電抗器接入系統(tǒng)的。由于電感電流不能躍變，響應(yīng)速度至少在100 ms以上，因此“附加直流電壓法”只能用于總開關(guān)。

“零序電壓法”檢測漏電電阻精度很差。零序電壓成立的條件是系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電容的變化引起的零序電壓變化在漏電電阻允許誤差(20%)范圍內(nèi)。

系統(tǒng)電壓與零序電壓成正比，系統(tǒng)電壓的變化范圍在75%～110%時，零序電壓誤差最大為25%，超出了漏電電阻20%的精度要求。

表1反應(yīng)了系統(tǒng)電容對零序電壓的影響[2]。表中的數(shù)據(jù)是380 V系統(tǒng)經(jīng)3.5 K漏電的計算結(jié)果。系統(tǒng)電容在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍(0.1～1 uf)變化時，零序電壓變化約為3倍，即漏電電阻的誤差約為3倍。而不是20%。

表1 系統(tǒng)電容對零序電壓的影響

“零序電壓法”檢測漏電電阻的假設(shè)條件是錯誤的，盡管反應(yīng)速度快，能滿足分開關(guān)對動作時間的要求，但因其精度很差，漏電保護(hù)不可能可靠動作。

由于動作時間的限制，總開關(guān)和分開采用2種精度相差懸殊的方法檢測漏電電阻，這是目前漏電保護(hù)可靠性差的根本原因。

1.2 選擇性漏電保護(hù)原理

現(xiàn)有選擇性漏電保護(hù)都是根據(jù)中性點不接地系統(tǒng)漏電后零序電流大小以及與零序相位關(guān)系實現(xiàn)的。圖1是3條支路向量圖，反應(yīng)各支路零序電流大小相互關(guān)系和分別對零序電壓的相位關(guān)系。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)漏電向量圖

(1) “零序電流大小法”：該原理的選擇性漏電保護(hù)是以“故障支路零序電流最大”為依據(jù)的電流繼電器。繼電器的定值設(shè)置要在非漏電支路和漏電支路的零序電流中找到平衡，保證前者不誤動，后者不拒動。

(2) 功率方向原理：該原理的選擇性漏電保護(hù)就是以“零序電流對零序電壓”相位判別器，零序電流超前零序電壓的支路是非漏電支路，零序電流滯后零序電壓的支路是漏電支路。

1.3 現(xiàn)有選擇性漏電保護(hù)原理的缺陷

“零序電流大小法”可靠工作的前提是:最小運行方式下系統(tǒng)對地電容電流的總和為最長線路的電容電流的3～4倍時。因此，“零序電流大小法”限制用于系統(tǒng)出線長短線懸殊的網(wǎng)絡(luò)。

零序電流的采樣元件零序電流互感器一次繞組只有一匝，決定了其伏安特性較差。非漏電短支路零序電流很小，一次電流在互感器伏安特性的拐點附近，其二次電流相位誤差很大。系統(tǒng)不平衡電流也會影響零序電流的相位。非漏電短支路和系統(tǒng)不平衡電流會引起功率方向原理誤判。

2 金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)的特殊性

(1) 長短線更加懸殊。金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)從分路開關(guān)到負(fù)荷的距離短到幾十米，長則幾公里?，F(xiàn)有漏電保護(hù)技術(shù)的難題之一就是“長短線懸殊”的漏電保護(hù)，金屬與非金屬礦山低壓的長短線更加懸殊，選擇性漏電保護(hù)難度更大。

(2) 樹干式接線方式。金屬與非金屬礦山低壓供電一般采用樹干式接線方式，由配電裝置引出一條線路同時向若干個甚至幾十個用電設(shè)備供電，干線故障時影響范圍大。金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)必須保護(hù)到用電設(shè)備。

(3) 分散性漏電現(xiàn)象嚴(yán)重。金屬與非金屬礦山井下環(huán)境差，低壓供電接線質(zhì)量差，隨意性大，分散性漏電現(xiàn)象比較普遍。至今沒有發(fā)現(xiàn)中性點不接地低壓系統(tǒng)分散性漏電的研究成果。

(4) 網(wǎng)絡(luò)大，電容電流大?！兜V用隔爆型檢漏繼電器》規(guī)定系統(tǒng)電容不大于1 uf，這是針對煤礦制訂的。金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)達(dá)幾十公里，GB50070-2009規(guī)定“預(yù)期接觸電壓超過36 V時，防護(hù)裝置應(yīng)迅速地切斷故障線路”，表明金屬與非金屬礦山低壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)電容要遠(yuǎn)大于1 uf。系統(tǒng)電容大，流經(jīng)漏電點的電流大，接觸電壓高，“零序電壓法”檢測漏電電阻受系統(tǒng)電容影響誤差更大，漏電保護(hù)可靠性更差，漏電將危及生命。

(5) 漏電意識淡薄，長期漏電運行。在調(diào)研金屬和非金屬礦山低壓系統(tǒng)過程中發(fā)現(xiàn)井長期帶故障運行是十分普遍的現(xiàn)象。不安裝漏電保護(hù)裝置可以帶故障運行，安裝了漏電保護(hù)裝置反而因保護(hù)動作停電影響生產(chǎn)，以致有些礦井即使安裝了漏電保護(hù)裝置也不投入運行，純粹應(yīng)付安監(jiān)部門檢查。

3 金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)使用 誤區(qū)

3.1 誤用中性點直接接地系統(tǒng)漏電保護(hù)

由于金屬與非金屬礦山一般沒有防爆要求，低壓設(shè)備直接使用地面中性點接地系統(tǒng)設(shè)備，以致漏電保護(hù)誤用了四極剩余電流斷路器。

四極剩余電流斷路器中零線必須穿過零序電流互感器，四極剩余電流斷路器漏電保護(hù)原理是基爾霍夫第一定律。正常時，零序電流互感器檢測到一次電流(三相線和零線)的電流矢量等于零，漏電時部分相電流流入漏電點，破壞了零序電流互感器電流平衡而使漏電保護(hù)動作。

中性點接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生漏電時的漏電電流性質(zhì)不一樣，前者是相電流；后者是電容電流。中性點接地系統(tǒng)的漏電是電器外殼與火線間絕緣損壞程度的輕微，以區(qū)別于單相對地短路；中性點不接地系統(tǒng)的漏電和單相接地是一個概念在不同領(lǐng)域的不同名稱，在礦山稱為漏電，在電力系統(tǒng)稱為單相接地。

兩種接地方式漏電概念不同，互感器檢測到的漏電電流性質(zhì)不同，漏電保護(hù)機(jī)理也不同，中性點直接接地系統(tǒng)的漏電保護(hù)不能用于中性點不接地系統(tǒng)。

3.2 盲目使用煤礦漏電保護(hù)

煤礦對漏電保護(hù)的要求很高，很多金屬與非金屬礦井采用煤礦低壓漏電保護(hù)使用效果不好的主要原因有以下幾方面。

(1) 煤礦漏電保護(hù)本身存在問題。如前所述，漏電電阻檢測的問題是煤礦漏電保護(hù)不能正確動作的根本原因。煤礦漏電保護(hù)用到金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)，因系統(tǒng)電容大大增加，漏電電阻檢測誤差更大。

(2) 金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)長短線懸殊現(xiàn)象比較常見， “零序電流大小法”無法用于“長短線懸殊”場合，而“功率方向原理” 則容易引起非漏電短支路誤動和受系統(tǒng)不平衡電流的影響。

(3) 金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)是樹干式接線方式，漏電保護(hù)僅僅如煤礦那樣控制變電所里的總開關(guān)和分開關(guān)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要進(jìn)行多級控制，實現(xiàn)終端設(shè)備的漏電保護(hù)。

(4) 金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)分散性漏電現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)有煤礦漏電保護(hù)技術(shù)不能解決分散性漏電保護(hù)問題。

(5) 金屬與非金屬礦山電容電流大，要求以“接觸電壓”為漏電保護(hù)動作于跳閘和發(fā)信的依據(jù)，沒有一款煤礦漏電保護(hù)產(chǎn)品可以監(jiān)測“接觸電壓”。

4 金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)新技術(shù) 的研究。

針對金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)的特點，結(jié)合GB50070-2009對低壓漏電保護(hù)的新要求，進(jìn)行金屬與非金屬礦山低壓漏電保護(hù)新技術(shù)的研究主要解決了幾個方面的問題。

4.1 “零序電壓修正法”檢測漏電電阻

零序電壓是關(guān)于“系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電容和漏電電阻”函數(shù)，其中，零序電壓是測量的量，漏電電阻是需要求的量，而系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電容是變化和未知的。零序電壓和漏電電阻對應(yīng)關(guān)系受2個變化量嚴(yán)重影響，這是“零序電壓法”檢測漏電電阻誤差大的根本原因。

“零序電壓修正法”是通過對系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電容這2個是變化量進(jìn)行實時監(jiān)測，實時修正在上述函數(shù)關(guān)系中系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電容變化，使得零序電壓和漏電電阻是完全對應(yīng)的關(guān)系。“零序電壓修正法”檢測漏電電阻不受系統(tǒng)電容和系統(tǒng)電壓對零序電壓的影響，速度和精度都得到保證，總開關(guān)和分開關(guān)統(tǒng)一用一個漏電電阻檢測方法，大大提高了漏電保護(hù)可靠性。

4.2 多種算法智能選擇，綜合決策

本保護(hù)技術(shù)采用3種選擇性漏電保護(hù)原理進(jìn)行綜合決策，并結(jié)合3種算法的優(yōu)缺點，智能地選擇適合具體系統(tǒng)的一種或幾種算法。

(1) “零序電流突變量法”：發(fā)生漏電時，非漏電支路零序電流互感器檢測到的漏電電流是本支路的電容電流，漏電支路零序電流互感器檢測到的漏電電流是非漏電支路電容電流之和。把各支路漏電電流和本支路原始的電容電流比較，非漏電支路基本不變，漏電支路發(fā)生了根本的變化，“零序電流突變量法”就是用這兩種電流的變化量來進(jìn)行選擇性漏電保護(hù)。這個方法可以有效地解決長短線懸殊的漏電保護(hù)，缺陷是不適用于系統(tǒng)總的電容電流剛好接近一條支路電容電流兩倍的網(wǎng)絡(luò)。

(2) “功率方向原理”：原理前文已有表述，這一原理的缺陷是非漏電的短支路和系統(tǒng)不平衡電流會引起保護(hù)誤動。

(3) “零序電流相對大小比相法”：首先找出零序電流排名前三的3條支路，排除了非漏電短支路和不平衡電流對判據(jù)的影響；再比較上述3條零序電流的相對相位決策漏電支路。這一方法解決了前二種算法存在的問題，其缺陷是對支路數(shù)有限制:不得少于3條。

3種算法各有優(yōu)缺點，任何一種算法都無法滿足全部漏電工況。本保護(hù)技術(shù)根據(jù)具體系統(tǒng)智能選擇適合本系統(tǒng)的算法，提高了選擇性漏電保護(hù)的可靠性。

4.3 分散性漏電保護(hù)原理

整個供電網(wǎng)絡(luò)中所有用電設(shè)備是并聯(lián)接線方式，并聯(lián)電路中電阻小的支路分流大。發(fā)生多點漏電相當(dāng)于在相和地之間并聯(lián)了多個電阻，系統(tǒng)總電容電流分配到每條支路的多少是由各漏電支路的漏電電阻大小決定的，“漏電電流大者優(yōu)先”原理保證漏電電阻最小的支路優(yōu)先動作而實現(xiàn)分散性漏電保護(hù)。

4.4 接觸電壓的監(jiān)測原理。

漏電電阻為零時的漏電電流計算公式為：

Ic=j3UωC

式中，U為系統(tǒng)相電壓；C為系統(tǒng)電容。

設(shè)定接地電阻10 Ω，GB50070-2009規(guī)定接觸電壓不超過36 V，則有：

30UωC<36,C<1.2/(Uω)。

380 V系統(tǒng)，計算得：C<17.37 uf。

本保護(hù)技術(shù)實時監(jiān)視系統(tǒng)電容，系統(tǒng)電容大于17.37 uf則保護(hù)動作于跳閘，系統(tǒng)電容不大于17.37 uf，保護(hù)動作于發(fā)信。滿足GB50070-2009的要求，實現(xiàn)了對接觸電壓的監(jiān)控。

4.5 終端漏電保護(hù)原理：

本漏電保護(hù)技術(shù)采用載波技術(shù)解決終端設(shè)備的漏電保護(hù)。漏電時，安裝在變電所的漏電保護(hù)主設(shè)備在系統(tǒng)中加入載波信號，該信號只經(jīng)過故障支路，每個支路上的終端漏電保護(hù)通過檢測載波信號實現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)。

4.6 滿足金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)要求的漏電 保護(hù)設(shè)備

JD1000低壓漏電保護(hù)系統(tǒng)是專門針對金屬與非金屬礦山低壓系統(tǒng)設(shè)計，采用上述漏電保護(hù)原理的漏電保護(hù)設(shè)備。該系統(tǒng)由JD1000低壓漏電保護(hù)裝置和JDZ低壓漏電斷路控器兩部分組成，2種設(shè)備的安裝位置見圖2。

(1) JD1000低壓漏電保護(hù)裝置：該漏電保護(hù)裝置采用“零序電壓修正法”統(tǒng)一漏電電阻檢測，采用多種算法智能選擇和綜合決策的智能型選擇性漏電保護(hù)原理，實現(xiàn)長短線懸殊和分散性漏電的漏電保護(hù)，實現(xiàn)了對接觸電壓的監(jiān)控。

圖2 JD系統(tǒng)設(shè)備配置

安裝在變壓器所在的變電所，是集中控制模式漏電保護(hù)裝置，實現(xiàn)對變壓器下的母線和支路選擇性漏電保護(hù)。

(2) JDZ低壓漏電斷路控制器：該設(shè)備和JD1000配合，運用載波技術(shù)實現(xiàn)終端設(shè)備的漏電保護(hù)。該設(shè)備已經(jīng)把這種終端漏電保護(hù)技術(shù)和斷路器融合在一起，代替原來的斷路器，安裝在變電所出線的下級出線或用電設(shè)備終端的控制回路上，當(dāng)發(fā)生漏電時，及時跳開漏電設(shè)備，最大限度地縮小停電范圍。

5 結(jié)束語

漏電保護(hù)是重要的電力保護(hù)設(shè)備，根據(jù)金屬和非金屬礦山低壓系統(tǒng)的特點研究漏電保護(hù)設(shè)備，實現(xiàn)中央變電所、采區(qū)變電所和負(fù)荷端的多級漏電保護(hù)，對提高供電可靠性和保護(hù)人身安全有十分重要的意義。目前JD低壓漏電保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)在安徽金安礦業(yè)、金川集團(tuán)股份有限公司、陜西太白金礦等金屬礦山廣泛應(yīng)用，并取得了理想的使用效果。

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2017-08-21)

王小華(1960-)，男，江蘇溧陽人，工程師，從事電力自動化方向的研究， Email：fwtxh@vip.163.com。