矿井低压电网单相漏电选择性保护方法与装置的研究

书书书!#年$$月第%卷第$$期电!力!设!备&’()*+,)-’&./,01(2*!3456!#74’8%348$$矿井低压电网单相漏电选择性保护方法与装置的研究!傅桂兴!付!英#!张文生#!韩传亮#!李!领#!!山东科技大学山东省济南市#$%%&!##鲁兴电子科技有限公司山东省泰安市#’!%%%$摘!要!文章简述了我国矿井低压电网漏电保护的技术概况!指出矿井低压漏电保护系统及选漏保护器存在的问题!着重阐明了基于零序基波时序鉴别原理#的低压选漏保护器的基本结构$工作原理$使用方法$产品的主要特性和优点%关键词!矿井低压电网&单相漏电故障&选择性保护&零序电抗器&时序鉴别法中图分类号!$%&#&’#$9煤矿井下低压电网漏电保护技术的发展与基本参数!!半个多世纪以来!我国煤矿井下低压()*#++*#,*-$电网均为中性点不接地加零序电抗器补偿的电缆网络%我国井下低压电网的漏电包括集中性漏电和分散性漏电$保护技术!最初引进原苏联的技术设备!国产化后有./)#型矿用防爆低压检漏继电器取代%直至#*年前!国内几乎全采用无选择性的低压检漏继电器!主要有./)##.0)#及..12等型号的产品%该类检漏继电器应用附加直流电源检测原理!具有(项必备功能&!监视电网对地绝缘水平’一旦(漏电)迅速动作于跳闸低压电网全停电$’#加设零序电抗器类似消弧线圈$补偿低压电网对地电容性电流等!定义补偿效率!3(4(#$5(6**7!(为补偿前的漏电电流!(#为补偿后的残流!(#(#按公式(83)*89++9+*8$:*#89#,#+#槡$计算!见文献*;+%煤矿井下空间小#潮湿#依赖强迫通风#空气中含有爆炸性混合物,,,瓦斯与煤尘!这种特殊的生产环境!对井下低压漏电保护技术和动作参数提出了非常严格的要求&!就避免井下人身触电伤亡而言!要求触电时通过人身的电流不得超过(*=’就防止瓦斯爆炸而言!要求漏电电流一旦达到(极限安全电流)值*’,()*-电网$#*’*)++*-电网$#*’*;=,*-电网$!检漏继电器必须立即动作于跳闸%为此!井下低压电网的检漏保护装置必须满足反应灵敏#动作迅速!以及借助零序电抗器尽可能将电网对地电容性电流补偿抵消$掉!实现最佳补偿!将残流!鲁兴电子科技有限公司的(矿井低压电网时序鉴别选漏方法及保护器)被列为#**+年度科技型中小企业创新发展专项扶持资金项目%减到最小!至少要求!+*7%矿用隔爆型检漏继电器的行业标准.2+(,,::#要求其基本参数应符合表规定%表$9矿井低压漏电保护的基本参数额定电压5-单相漏电动作电阻值5$三相漏电动作电阻值5$经$电阻单相接地动作时间5?网络电容为*’##@’*%A5相以上补偿效率!57()*(’;*’;#**+*++*((#)*+*,*#*+*#;*+*!!表中的技术指标表明&煤矿井下若要实现低压电网单相漏电的选线保护!其技术难度要比中压+#*-等$电网谐振接地系统单相经高阻接地故障选线所面临的困难曾公认为国际技术难题$还要大!因为还有(极限安全电流)和(*=的难关需要突破!既要求对接地补偿电网单相漏电故障选线灵敏准确!又要求迅速依据规定的电网对地绝缘水平动作电阻值$动作于跳闸%:)+年!(矿井低压选择性漏电保护)的研究!作为(井下漏电保护系统及装置的研究)课题的主要内容列入国家(七五)科技攻关任务%井下选择性漏电保护包括横向选择性和纵向选择性#个方面%由于该课题难度较大!::年又列为煤炭系统(八五)计划继续攻关%连续十年的科技攻关取得了明显成效!国内相速出现1B0#2..等几种型号的低压选漏保护装置!在矿井安全生产方面发挥过重要作用%但直至目前!这些低压选漏保护装置基本上都是采用零序功率方向原理或零序电流相位比较原理构成的%由于井下低压电源进线处普遍安装的直流检测型总检漏继电器兼作选漏的纵向后备保护及三相分散性漏电保护$中都含有零序电抗器01!这种手动调节的零序电抗器01会因电网运行方式的变化或因故切除部分供电线路而出现全补偿#过补偿状态’而在01处于全补偿#过补偿状态下!基于上述工作原理的低压选漏配电系统接地故障测寻定位专题傅桂兴等&矿井低压电网单相漏电选择性保护方法与装置的研究:!!!装置就进入(死区)!失去选漏保护功能%因此!上述低压选漏保护装置在实际应用中!要么存在(死区)!要么必须废除总检漏继电器中的零序电抗器01补偿电网对地电容电流的功能!这显然是不符合-矿井低压检漏继电器.行业标准.2+(,,::#的,’#’,条#第;’(!;’,条规定和井下三大保护整定细则要求的%实际上!由于总检漏继电器的滞后动作时间至少在#;*?以上!不借助零序电抗器补偿电容性电流就难以达到(*=的保安要求!更无法满足(极限安全电流)的要求%为了解决以上矛盾和问题!山东泰安鲁兴测控设备研究所在中压电网谐振接地故障(时序鉴别)选线技术与装置的研发成果基础上!研究开发了一种基于零序基波时序鉴别原理的矿井低压电网选择性漏电保护器!简称(矿井低压电网时序鉴别选漏保护器)%!9低压接地补偿电网时序鉴别选漏保护器的构成原理!!鲁兴测控设备研究所研制的矿井低压电网时序鉴别选漏保护器的结构原理图!如图所示%选漏保护器由单相漏电选漏模块和外围电路以及零序电压-*#零序电流(*形成电路构成%-*进入接地选线模块后分成#路!一路经低通滤波#阻容移相#鉴幅#整形#光隔!形成脉宽为)*C的对称方波-*.!用以作为时序鉴别的基准信号’另一路经低通滤波#鉴幅#阻容移相#整形#光隔!形成不对称的方波信号-*.!作为零序电压的比幅信号%-*.和-*D均进入时序鉴别器=EFG$%(*信号取自零序电流互感器$=!(*进入选线模块!然后经低通滤波#阻容移相#鉴幅#整形#光隔!形成脉宽和相位不确定的方波!其脉宽随着/*正弦波$的幅值大小可在*@)*C之间变化!(*的方波相对-*.的相位随着三相电网是无补偿#欠补偿和过补偿的程度约在*@&*C范围间变化%图!选漏保护器原理框图因用于馈电开关中的选漏保护器只需监护一路馈出线!所以时序鉴别器=EFG只接入一路(*信号!但=EFG共有(路输出!分别经驱动器接漏电故障的音响报警电路!漏电故障线路的0HI指示电路和漏电故障线路的跳闸电路%:9低压接地补偿电网单相漏电故障的零序基波!时序鉴别选漏方法!!图#是鲁兴公司用以实现单相漏电故障选线的零序基波(时序鉴别器)的工作原理(时序鉴别法)示意图%图#中!-*.是由零序交流电压0*变换)*C来的规则方波!作为时序鉴别的基准信号%(*是由零序交流电流/*变换来的脉宽和相位不确定的方波!(*的脉宽一般为)*C!但若零序电流幅值过小!则(*的脉宽将远小于)*C甚至为零%(*相对于-*.的相位随电网是无补偿#欠补偿还是过补偿而从左向右变动%如图#的J$#K$所示%当电网发生单相漏电故障时!若某条线路的零序电流对应的(*方波与-*.方波的时序关系同时满足以下#个条件的!则该线路为单相漏电故障线路!如图#中J$#K$所示%图#!时序鉴别法示意图$零序电流(*上升沿滞后于零序电压-*.上升沿而超前零序电压-*.下降沿!即零序电流(*上升沿界于零序电压-*.的上升沿与下降沿之间上升沿#下降沿也叫该方波的(前沿)和(后沿)$%#$零序电流(*下降沿滞后于零序电压-*.!下降沿须大于*C而小于)*C%不能同时满足上述#个条件的则为非故障线路!如图#中的L$#M$#N$所示%这就是应用(时序鉴别法)进行单相漏电故障选线的主要判据%这里必须指出!虽然同是应用零序基波信号!但(时序鉴别法)和通常的相对相位法比相法$!或者说(时序鉴别原理)与零序功率方向原理是根本不同的%例如图#中的M$所示的(*与-*.的方波关系!按照零序功率方向原理应判定为故障线路’而运用时序鉴别原理则应判为非故障线路%;9矿井低压电网时序鉴别选漏保护器的应用实例与外围接线!!单路的矿井低压时序鉴别选漏保护器的应用方法和外围电路如图(所示!图中&三相电抗器E1#零序电抗器01#零序电流互感器$=#直流继电器.和.##电源变压器$以及电阻O@O;#电容G#G#等器件#*!!!电!力!设!备第)卷第期及其互联电路%图(!选漏保护器的外围电路接线图图,!四路组合式的低压时序鉴别选漏保护器的电路原理图电源变压器$作为保护器工作电源!由于保护器在开关分断后仍要工作!因而要求$在开关分断后仍然带电!故$需接在开关的电源侧%$=是用于提取零序电流信号的%三相电抗器E1和零序电抗器01用来获取零序电压信号和零序感性电流%用以01对电网电容电流进行补偿!补偿度大小可通过调节电抗器01的抽头来改变%试验电阻O(与直流继电器.及外部试验按钮=P共同组成人工单相漏电试验电路%直流继电器.#的动合触点与接于线电压的跳闸线圈$Q组成跳闸回路!作漏电故障跳闸用%低压选漏保护器通过插件与各有关信号线连接后!对输入信号进行时序鉴别与处理%四路组合式的低压时序鉴别选漏保护器的应用方法与电路原理如图,所示!,台选漏保护器接在同一母线的四路馈出线上!这四路馈出线的开关和保护装置设在同一个防爆外壳中!电源侧的总馈电开关中的总检漏继电器作为各分路馈出线低压选漏保护器的纵行后备保护%9时序鉴别选漏保护器主要优点$由于采用了时序鉴别原理进行选漏!解决了井下低压电网选漏保护既无(死区)又能保留零序电抗器01的补偿功能%而且时序鉴别法有*@&*C的移相范围动作区$!从而保证了时序鉴别选漏保护器可在井下低压电网零序电抗器处于欠补偿#全补偿和过补偿各种运行状态下!都能正常工作#可靠保护#选漏准确%#$时序鉴别选漏保护器采用超大规模专用集成电路=EFG$作为选漏保护器的(GRS)!这比采用中小规模集成电路或单片机构成的选漏保护更加适应井下#采区的恶劣环境!便于用在隔爆型开关装置中%($时序鉴别选漏保护器本身既具有(先天性)滤除强干扰脉冲或脉冲列$的能力*如图#M$#N$所示+!又具有配合(*鉴幅!排除电流通道微弱波动信号的能力%,$装设在各分路馈电开关中的时序鉴别选漏保护器!都带有对该馈电线路电容电流的补偿设备(零序电抗器)!且随着该馈电线路的投入或切除!还具有类似自动跟踪调节补偿电容电流的功能%=9结语$(矿井低压电网时序鉴别选漏保护器)已获实用新型专利!相关的基于零序基波时序鉴别原理的(小电流接地系统单相接地选线方法与装置)也已由国家知识产权局授予发明专利%#$鲁兴电子科技有限公司已为该(时序鉴别选漏保护器)制定了企业标准!该选漏保护器也已通过国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心的检验!除技术指标符合行业标准.2+(,,::#$规定外!还配电系统接地故障测寻定位专题傅桂兴等&矿井低压电网单相漏电选择性保护方法与装置的研究#!!!有一项重大突破!即矿井低压电网在零序电抗器的各种补偿状态下!该选漏保护器均能实现单相漏电故障的准确选线!这在国内属首例%($该选漏保护器的先期小批量产品曾在山东兖矿集团杨庄煤矿#山东新矿集团良庄煤矿#河南郑煤集团大平煤矿#山东莱芜魏家洼煤矿等十多个矿井投入工业实验与应用!得到用户的广泛认可与好评%,$该(时序鉴别选漏保护器)作为高性能的低压选漏保护单元组件$!现已有多个矿用电器设备生产厂家与鲁兴公司签订了长期供需合同或技术合作协议!如兖州明兴达机电设备有限公司和泰安天安电器设备有限公司!均将该保护器用于新型矿用低压馈电开关和新型防爆电磁起动器等产品中!泰安市众诚矿山自动化有限公司采用该保护器装配于新产品(井下移动变电站低压侧组合磁力开关)中!而兖州东方机电有限公司则把该选漏保护器用于联合研制的(低压电器综合保护装置)新产品中%实际上!该时序鉴别选漏保护器不仅可以广泛用于煤矿井下低压电网的馈出线保护!而且可以用于煤矿地面选煤厂以及石油#化工#棉纺#油轮和其他工矿企业的中性点不直接接地的低压电网中!作为单相接地漏电的故障选线保护!应用前景非常广阔%#9参考文献*+!顾永辉!范延瓒’煤矿电工手册*%+’北京&煤炭工业出版社!:)’*#+!傅桂兴!付英!李文宏’中压电网单相接地故障的时序鉴别选线方法与装置*.+’电力设备