基于零序電流有功、無功分量的選擇性漏電保護研究

蔣軍 JIANG Jun

（淮南職業技術學院，淮南 232001）

0 引言

選擇性漏電保護是是煤礦井下供電的三大保護之一，也是防止人身觸電事故的重要措施。在煤礦井下高壓線路的漏電保護常選用選擇性漏電保護，指當系統發生了漏電故障時，可以只對故障支路進行跳閘，而其他非故障支路工作正常不受影響。這樣可以有效的把停電范圍控制在一條線路之內，便于對漏電故障進行的查找，滿足保護的可靠性與選擇性。隨著煤礦的開采距離加長，漏電電容電流不斷加大，多數礦井系統采用了中性點經預調或者隨調式消弧線圈接地方式，由于其補償作用，對選擇性漏電保護系統的正常工作產生了一定的影響，造成錯選或誤選的發生。因此，首先要研究漏電時的電氣特征，并根據這些特征量進行漏電保護的設計。

1 煤礦井下電網漏電故障分析

我國煤礦井下供電多采用了中性點不接地或中性點經預調式及隨調式消弧線圈接地運行方式，在一定程度上這種接地方式可以減小漏電電流保護人身安全。但是由于消弧線圈的補償作用，漏電故障時，零序電流與中性點電阻接地或不接地方式相比，電流明顯減小因此對漏電的判斷或者選線都有一定的影響。為了更好的完成漏電保護功能，要先對漏電過程的各參數變化進行分類分析。

圖1為我國煤礦高壓多支路輻射式供電系統，我們假設它由L1、L2、L3這三條支路構成，而LH1、LH2、LH3為零序電流互感器安裝在各條支路上。忽略系統的絕緣電阻，我們假設每條線路三相對地電容均相等，分別用C1、C2、C3表示。

為分析方便，把中性點不同接地方式均在圖1中表示，這里L是消弧線圈的補償電感，RN是消弧線圈并聯電阻。為零序電壓，、表示支路1，2（非故障）的電容電流，表示為故障線路零序電流始端測量值，當RN=∞且L=∞時，表示中性點不接地；當RN=∞且L≠∞時，表示中性點經消弧線圈接地；當RN≠∞且L≠∞時，表示中性點經消弧線圈并聯電阻接地；當Rd≠0，表示漏電故障經過渡電阻；Rd=0，表示金屬性接地。這里假設在L3支路A相發生（單相）漏電故障。

圖1 接地方式及零序電流圖

1.1 中性點不接地系統單相漏電分析

當線路L3的A相發生漏電故障時，接地電流的分布及零序等效相量如圖2所示。

圖2 中性點不接地系統零序電流圖

式中：CΣ為全系統中每一相對地電容之和，CΣ=C1+C2+C3；

總結以上分析結果，可得出此時故障特點如下：

①當系統發生漏電時，各支路均有零序電壓出現；

②所有非故障支路流過的零序電流與各自支路上電容電流相等，方向為從母線到線路，超前零序電壓相位90°；

③而故障線路的零序電流值較大，且與非故障支路相反方向，為非故障線路容性電容電流的和。在相位上滯后零序電壓90°。

1.2 中性點經預調式消弧線圈系統單相漏電分析

在中性點經過預調式消弧線圈接地系統中，若系統發生漏電，其零序等效相量關系如圖3所示。

圖3 中性點經預調式消弧線圈接地系統零序電流圖

①對于沒有發生故障的支路，其零序電流的特點與中性點不接地系統相比沒有發生變化；

1.3 中性點經隨調式消弧線圈接地系統單相漏電分析

此時，仍以圖3為我們的研究對象，故障發生時，零序相量如圖4所示。

圖4 中性點經隨調式消弧線圈系統零序電流圖

①對于非故障線路，零序電流的特點仍與前兩種情況下相同；

2 現有選擇性漏電保護存在的問題

現有的很多選擇性漏電保護策略，例如：首半波法、暫態電流方向法、零序電流的幅值比較法、負序電流法等多是對漏電故障的暫態或穩態的參量單獨分析和判斷的，在煤礦井下復雜多變的供電環境下，較容易出現誤動和拒動。

由于在高壓防爆開關保護器中無法實現群體比幅、比向，在沒有另配故障選線裝置的情況下，僅依靠單一方法很難實現準確的選擇性漏電保護。有些方法也因為硬件條件的限制而不能很好的實現。受接地方式的影響要建立起一個統一的選擇性漏電保護方法一直是個不易解決的問題。多數情況要受到實際條件的限制，不能完全保證保護的不誤動和不拒動。因此，應當結合多種保護方法各自優點和使用場合，并結合現有的現場條件，對漏電保護進行一個統一的判定方法，使其可以作為不受接地方式與消弧線圈補償方式影響的選擇性漏電保護。

3 基于零序電流有功無功分量的選擇性漏電保護設計

根據上述分析，我們發現零序電流的有功分量法與零序電流的無功分量法在適用范圍以及工作方式方面有著很強的互補性。據此，可以綜合利用兩者的特點實現一種能夠適應不同接線方式與消弧線圈補償方式的選擇性漏電保護。

對于中性點經消弧線圈并（串）電阻接地方式的供電系統，由于在線路中存在對地電導以及消弧線圈所存在電阻損耗，接地故障發生時，零序有功電流只流過故障線路，與非故障線路無關，因此常采用零序電流有功分量選擇性漏電保護原理，

據式（3）故障支路L3始段流過的零序電流為：

非故障支路L1、L2零序電流為：

故障支路L3零序電流有功分量為：

非故障支路L1、L2零序電流有功分量為：

因此通過對零序有功分量的計算可以判斷該條線路是否有漏電發生。當采用中性點不接地系統時，由于IRN量很小，所以判斷無效。

根據以上分析可知，僅當中性點經消弧線圈串（并）電阻接地系統中，才可以得到零序電流的有功分量I03gY＜0，而在中性點不接地系統中有I03gY＜0。因此可知，通過判斷零序電流有功分量I03gY，通過其值的大小即可判斷是否發生了漏電。若其值小于零可以判斷為中性點經消弧線圈接地并且發生了漏電故障。而當其值為零，則可以判定系統為中性點不接地系統或者未發生接地短路故障這兩種情況。在零序無功的判斷上，若其值小于零可以判斷為中性點不接地系統的故障支路，若大于零則為非故障支路。因此通過上述兩種零序電流分量的判斷，我們既可以判斷出故障線路又可以知道中性點的接地方式，并且不受接地方式的影響。

綜合以上結論，對于選擇性漏電保護我們可以通過下面的方法進行判斷。

零序電流有功分量計算公式：

式中：I0為實測零序電流；φ為零序電流與零序電壓間的角度；這里可以設定M，作為零序有功分量法的閾值且M＜0。零序電流無功分量計算公式為：

式中：I0、φ和同式（10）；可設定為零序電流無功分量法的閾值且N＜0。

為了進一步保證漏電保護的可靠性，故障支路判據中可以引入零序電壓，作為零序有功無功分量法的選擇性漏電保護啟動值，也就是說，只有當零序電壓滿足整定值時才進行零序有功無功的判斷。

其原理流程圖如圖5所示。這里的U0M可作為保護的啟動值。

圖5 基于零序有功無功分量的選擇性漏電保護流程

此種漏電保護判斷方法優點在于：

①保護方式不受消弧線圈補償方式的影響，因為采用了零序電流有功分量的判斷方法無論消弧線圈處于何種補償方式，零序有功分量始終是不變的。選擇合理的閾值即可滿足保護的條件。②不受接地方式影響，可通過流程自行判斷系統為何種接地方式，并進行漏電故障的判斷。因此無需人為的設定接地方式。只需設定M、N值即可實現。由于上述判定方法是在理想條件下進行的，而實際應用中存在著一些因素的影響。可能造成一定的誤差。①電流互感器的角特性影響。在實際的應用中，零序電流互感器的一次側輸入與二次側輸出的角度并不一致，通常情況下會存在一定角度的偏移。這為零序有功和無功的計算判斷造成一定的誤差。對于這種誤差可通過測量進行矯正，但是對于現場的保護通用性會造成一定的影響。②由于在零序有功分量判斷中，通常測量值比較小，由于零序電流互感器在工作值偏小或者偏大時會存在一定的非線性，這樣對于判斷也會受到一定的影響。另外，諧波也會對較小的測量值有一定的影響。③電纜絕緣電阻的影響。電纜的絕緣電阻是會隨著系統電壓等級的變化而變化的，而且時間的增加也會使的阻值變小，這樣判據中M值不能完全固定，存在一定的變動。

4 結束語

選擇性漏電保護對煤礦井下安全供電具有十分重要的意義，本文從發生漏電后，對系統中的零序電流進行分析，提出一種基于零序電流有功、無功分量的選擇性漏電保護判斷方法。該方法既不受消弧線圈補償方式的影響，也不受系統接地方式的影響，適用性強，具有一定的推廣意義。