矿井低压电网漏电保护技术的发展

矿井低压电网漏电保护技术的发展收藏此信息打印该信息添加：用户发布来源：未知摘要：矿井低压电网漏电保护经历了3个发展阶段、2次飞跃。在简要回顾矿井低压电网漏电保护技术发展史的基础上，介绍了矿井低压电网漏电保护技术的进展，其中包括机电式漏电保护、半导体式漏电保护、微机式漏电保护和自适应式漏电保护。漏电保护零序电流零序电压1概论漏电保护是保证煤矿井下安全供电的3大保护之一，是防止人身触电的重要措施。尽管它与现代新兴学科相比已相当古老，但它作为一门综合性学科又随着科学技术的进步而不断地发展。这是因为矿井低压电网漏电保护既是一门理论与实践并重的学科，又与电力系统的发展息息相关。随着矿井电网的出现，漏电保护技术就相伴而生。早在20世纪30年代，英国就在磁力启动器中装设了漏电保护装置，从此建立了矿井低压电网漏电保护原理［1］，但这种漏电保护装置只适应于变压器中性点直接接地的供电系统。1949年苏联开始研制中性点不接地供电系统使用的漏电保护装置（PYB型防爆漏电继电器）。同时，西德、波兰、日本等国也先后开发出适合于本国矿井供电系统的漏电保护装置。20世纪50年代初，我国引进了苏联的漏电保护装置，并在矿井中推广应用。同时进行了仿制，一直延用到80年代末，甚至有的矿井现在还在使用。随着科学技术的发展和矿井电网电压等级的升高，我国自行研制了多种类型的漏电保护装置。从漏电保护的基本原理上看，直到现在还没有出现突破性的进展。从保护装置的硬件看，经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微型计算机式的发展阶段。总的看来，矿井漏电保护技术的发展可以概括为3个阶段和2次飞跃。3个阶段是机电式、半导体式和微机式。第1次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗方面；第2次飞跃是由半导体式到微机式，主要表现在数字化和智能化方面。显而易见，第2次飞跃尤为重要，它为矿井电网漏电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。2机电式漏电保护2.1机电式漏电保护原理机电式漏电保护是矿井低压电网漏电保护技术发展的基础。前苏联研制成功的后来被我国广泛采用的机电式漏电保护装置，是基于附加直流检测的PYB型防爆漏电继电器，我国改造后的型号为JY82型捡漏继电器。这种捡漏继电器的保护原理如图1所示。图中，T为电源变压器，TR为三相电抗器，ZR为零序电抗器，C0为隔直电容器，kΩ为千欧表，RL为直流继电器，E为直流检测电源，I为直流检测回路中的检测电流，rA、rB、rC分别为三相电网对地的绝缘电阻，CA、CB、CC分别为三相电网对地的分布电容。图1机电式漏电保护原理图由图1可知，直流检测电源E无论通过三相电抗器组成的人为中性点还是变压器自然中性点，均可形成直流检测回路。由于检测回路中三相电抗器、零序电抗器、千欧表和直流继电器的直流电阻相对稳定，所以检测回路中的电流大小能反映三相电网对地的绝缘水平。当电网绝缘电阻下降到一定程度或电网发生漏电故障时，检测电流将大于直流继电器的动作电流，继电器会立即动作，其常开或常闭接点将通过自动馈电开关的分励脱扣线圈或无压释放线圈使自动馈电开关跳闸，达到漏电保护的目的。2.2机电式漏电保护的特性分析根据机电式漏电保护原理，在电网电压对称的情况下，漏电保护装置具有稳定的漏电动作值。实际上，当电网对地绝缘阻抗不平衡时，即使电源电压对称也会有交流电流经三相电抗器、零序电抗器流进直流继电器RL的线圈回路，使其工作受到交流电流的影响。于是，动作电阻值不再恒定，它不仅受绝缘电阻不对称程度的影响，而且要受三相电网对地分布电容的影响。尽管在检测回路中接入隔直电容C0，但对漏电电流中容性分量的补偿也是有限的。在漏电检测回路中，由于动作元件是直流继电器，所以其动作电流值直接影响漏电动作电阻值。引起直流继电器(RL)动作电流值变化的因素有继电器本身的机电特性变化(如机构不灵活、摩擦力变化、返回弹簧的弹性改变及铁芯中出现剩磁等)和运行维护方面的原因(如悬挂位置不正确、偏离垂直状态)。由此可见，机电式漏电保护动作电阻值分散性较大，准确性较差。串接于漏电检测回路中的千欧表实际上是刻度为电阻的直流毫安表，其读数直接反映该回路的电流大小。由于直流检测电流与总绝缘电阻有直接关系，因此可用电流的大小来表征绝缘电阻的大小。一般情况下，直流电压是经整流桥获得的，所以，千欧表的读数会受电网电压波动的影响。更为严重的问题是，当直流电压为零或检测回路断开时，千欧表读数为无穷大，这给人们一种错觉，认为此时绝缘非常良好。但如果此时发生人身触电事故，捡漏继电器则可能因此而拒动。采用附加直流电源进行工作的机电式捡漏继电器存在动作没有选择性的问题，因为当井下电网的任何地方发生漏电故障时，直流检测电流都可能形成通路，使捡漏继电器动作。由此可见，基于附加直流电源检测的机电式捡漏继电器并不能从根本上解决矿井电网的漏电保护问题。3半导体式漏电保护3.1半导体式漏电保护原理在机电式漏电保护的基础上，我国曾先后研制开发出了6种不同型式的捡漏继电器，如JY82J型、JL80型、JL82型、JL83型、JY－80型和JJKB30型。它们的基本工作原理与JY82型捡漏继电器相同，都是基于附加直流检测原理的，但在不同程度上克服了后者所存在的缺陷。首先是使用了半导体元件，使检测灵敏度大为提高，而且将驱动继电器置于控制回路中，使动作稳定性有所改善。另外在检测电路中使用了无级可调电容电流补偿回路，减小了人身触电的危险性。20世纪80年代初期，随着电子技术的发展，大大推动了矿井电网漏电保护技术的发展。由原山西矿业学院开发研制的BJJ2－660(380)X隔爆型选择性捡漏继电器［2］，采用小规模集成电路组成信号检测、识别、判断和驱动电路，不仅保留了机电式漏电保护所有的功能，而且能完成电网支路之间的选择性漏电保护功能。选择性漏电保护原理如图2所示。图中，ZCTi为第i支路零序电流互感器，用以检测各支路的零序电流；Ii为第i支路的零序电流；Ci为第i支路的分布电容；ri为第i支路的绝缘电阻；Rl为漏电电阻；SLPi为第i支路的信号检测与处理单元。如在第1支路A相发生漏电时，尽管各支路的B相和C相均有零序电流由母线经零序电流互感器流向故障点，但只有漏电支路A相才有零序电流由故障点经零序电器流向母线，而且流过A相的零序电流为各支路流向故障点零序电流之和。由此可见，流过故障支路零序电流互感器中的零序电流不仅在大小上与非故障支路不同，而且其方向与非故障支路的相反。各支路信号检测与处理单元SLPi正是利用这一特点进行选择性漏电保护的。为了提高人身触电时的安全性，解决选择性漏电保护系统的动作选择性和安全性之间的矛盾，中国矿业大学在20世纪80年代末研制开发出BJJ4矿用隔爆型带人为旁路接地的总捡漏继电器［3］和BJJ3矿用隔爆型选择性捡漏继电器。BJJ3型捡漏继电器与BJJ2型捡漏继电器的保护原理相同。BJJ4型的保护原理如图3所示。由图3可见，带旁路接地漏电保护由漏电检测电路、旁路接地单元、选相电路和驱动电路等组成。当人身触及电网的任何一相（如C相）时，检测电路会向选相电路发出信号，选相电路据此判断故障相别，然后驱动故障相继电器动作，使故障相迅速通过电阻R接地，起到旁路分流作用，使流经人身的电流减小，达到漏电保护的目的。矿井低压电网漏电保护一直是影响煤矿安全生产的主要问题之一，因此，“矿井电网漏电保护系统及装置的研究(交流部分)”曾被列为国家“七五”科技攻关项目。在20世纪90年代初，相继出现了BKD1－400Z/660(380)Z(F)矿用隔爆型真空馈电开关［4］、DXL－660Q型分支馈电开关选择性漏电保护器［5］等。在这些馈电开关中，安装了分支馈电线路之间的横向选择性漏电保护及与总开关之间的纵向选择性漏电保护，两级漏电保护与过流保护一起组成了真空馈电开关的综合保护系统，使井下变电所的接线简单化。在这2种真空馈电开关中，横向选择性漏电保护采用了零序电流方向检测的原理，纵向选择性漏电保护采用了附加直流检测结合时限级差的动作原理。3.2半导体式漏电保护特性分析半导体式漏电保护无论在保护性能上还是在动作指标上都优于机电式漏电保护。正是由于半导体器件及小规模集成电路的应用，才使得矿井低压电网选择性漏电保护得以实现，并与基于附加直流检测原理构成的漏电保护一起组成了两级漏电保护系统，弥补了单一漏电保护所存在的缺陷。这种漏电保护系统具有相对稳定的动作电阻值，在电网绝缘对称下降时，尽管动作时间长，但也能使馈电开关跳闸，而且增加了横向选择性漏电保护功能，使漏电故障的判断和排除时间大为减小，提高了生产效率。除此之外，在该漏电保护系统中增加了漏电闭锁功能，保证在馈电开关送电之前，能对电网的绝缘水平进行监视。在上述各种半导体式漏电保护装置中，由于工作原理不同，所以其保护特性也有所不同。JL80型、JJKB30型等基于附加直流检测的漏电保护尽管在动作值的稳定性上有所提高，但仍然不具备选择性漏电保护功能，而且动作时间较长，有时长达200ms。BJJ2型捡漏继电器解决了选择性漏电保护的问题，但仍然需要与馈电开关配合使用，接线比较复杂，而且漏电动作时间达不到30ms的要求。BJJ4型捡漏继电器有效地解决了人身触电的安全性和动作时间长之间的矛盾，但其保护原理实质上是零序电压保护原理，所以其动作电阻值不可能固定不变，另外它只能对单相漏电或人身触电事故起保护作用。而且，如果电网绝缘阻抗对称下降，甚至降低至零，旁路接地部分也不会动作，因此它必须与其他漏电保护配合使用时才能反映绝缘电阻对称下降故障。BKD1型和DXL型馈电开关将过电流保护和漏电保护集于一体，形成了综合保护系统。但由于检测和控制电路大部分采用分立元件，分散性大，稳定性差，经常出现误动和拒动现象，而且其比相环节采用半波比较，动作时间常常满足不了30ms的要求。尤其在供电距离短、电压高或供电距离长、电压低的情况下，在1kΩ漏电时动作时间更长。另外，由于元器件的限制，开关缺少良好的人机界面，给判断故障和排除故障带来不便。4微机式漏电保护随着科学技术的发展，计算机控制技术已渗透到各工业领域，并占据着工业控制领域的主导地位。20世纪90年代初，我国相继出现了智能型真空馈电开关，如BKD3－400Z/660(380)和BKD4－400(200)Z/1140(660)隔爆型智能真空馈电开关［6］，它以单片机作为中央控制单元，配以必要的外围接口电路和信号检测与处理电路，便可完成矿井低压电网的2级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过载和过电压等保护功能。该开关中的漏电保护系统由基于附加直流检测的总漏电保护和基于零序电流方向判断的分支漏电保护组成，既可完成井下低压电网单相漏电时横向选择性和纵向选择性功能，又能保证电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性。由于横向选择性漏电保护采用全波相位比较，并且采用了零序电压加速电路［7］，所以分支线路保护的动作时间小于30ms，干线保护动作时间小于200ms［8］。在总馈电开关漏电信号检测电路中，采用了RC滤波和双T滤波电路，滤除了迭加于直流检测回路的交流高次谐波，再配以软件的非线性补偿，保证了漏电动作电阻值的稳定性。漏电保护系统的动作可靠性至关重要。它是衡量保护系统性能优劣的主要标志之一。煤矿井下存在着大量干扰信号，直接威胁着单片机的工作可靠性。因此在漏电保护系统中建立了2级后备保护，即总漏电保护单元作为分支漏电保护单元的一级后备，漏电闭锁作为分支漏电单元的二级后备。虽然这样会扩大停电范围，但提高了人身触电的安全性。另外，由于电网的零序电压和零序电流之间的相位随电网参数而变化，所以将零序电压变换成脉冲序列，将零序电流变换成方波信号，可扩大比较范围，提高动作可靠性。除此之外，利用软件的闭锁、记忆和滤波功能，也能使漏电动作的可靠性得到提高。在此综合保护系统中，建立了良好的人机界面。多功能数字显示屏在开关合闸前，循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。开关合闸后，正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平。故障跳闸后循环显示故障参数和故障状态，从而大大提高了