井下的安全供電一般包括接地保護、漏電保護和過電流保護，漏電保護是其中最重要的保護。采取安全可靠的漏電保護可以極大地提高井下供電的安全性和可靠性。

目前我國煤礦井下低壓電網(wǎng)常用的漏電保護一般為兩級式漏電保護。第一級漏電保護一般利用各支路的交流零序電流參與邏輯判斷。由于漏電時接地點僅流過其他支路電容電流之和，可以利用零序交流電流的幅值和相對相位來參與交流量保護。這種保護在動作時間上滿足快速性的要求，同時也具有一定的選擇性。

接地電阻值的計算式為

式（1）

當系統(tǒng)中發(fā)生漏電并且計算的電阻小于保護漏電電阻定值時，漏電保護啟動，通過邏輯判斷跳開漏電點所在線路，使供電系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)，確保供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。從式（1）可以看出，計算的接地電阻受系統(tǒng)電容的影響，當系統(tǒng)電容發(fā)生變化時，不能計算出真實的接地電阻，保護裝置容易發(fā)生誤判。

如果支路開關(guān)選擇不正確或不能正確跳開，則第二級漏電保護動作，跳開總開關(guān)，切斷整個系統(tǒng)的供電。第二級漏電保護通常采用附加直流保護，供電系統(tǒng)接入附加直流電源注入的直流，保護裝置測量附加直流信號的電壓或電流，計算系統(tǒng)對地絕緣電阻。

如果絕緣電阻小于設(shè)定的電阻值，漏電保護經(jīng)設(shè)定的延時后跳開總開關(guān)。附加直流檢測原理構(gòu)成的漏電保護動作無選擇性，當發(fā)生支路漏電時，在設(shè)定的時間內(nèi)保護裝置如果不能正確選擇并切除漏電支路，總開關(guān)在到達延時設(shè)定值后跳閘，切斷整個系統(tǒng)的供電。

本文在分析附加直流法的基礎(chǔ)上，提出一種具有三級帶選擇性的低壓漏電集中式保護方法。該方法基于兩級式低壓漏電保護方案，僅增加支路直流采樣，具有結(jié)構(gòu)簡單、裝置數(shù)量少、適用性強、易于擴展、可靠性高等優(yōu)點。

1 附加直流法

直流電阻的測量對判斷系統(tǒng)接地的接觸狀況起到重要作用。為了更加準確地檢測漏電電阻，保護裝置提供一個獨立的直流電源。這個直流電源加在低壓電網(wǎng)和大地之間，由直流電源、低壓電網(wǎng)和大地組成一個直流回路。當有支路或總線漏電時，在這個回路中可以檢測到直流電流。通過檢測該電流，可以計算出系統(tǒng)的漏電電阻，構(gòu)成附加直流原理的漏電保護。

附加直流法的接線示意圖如圖1所示。漏電檢測保護單元具有一個直流信號注入控制部件，電壓UZ通過隔直電容C0、電阻R01、電阻R02和電抗器注入三相電網(wǎng)中。

圖1 附加直流法的接線示意圖

在電阻R02上測到的直流電壓值為

式（2）

附加直流回路所增加的所有電阻Ri為固定值，與支路是否漏電無關(guān)。由式（2）可知，采樣的UL值和支路的對地電阻Rp相關(guān)，會隨Rp的下降而增大。在無漏電時，由于支路的對地電阻很大，流經(jīng)電阻R02的電流很小，采樣的電壓UL大小接近于0。當發(fā)生漏電時，電網(wǎng)對地的電阻降低，大小大致等于接地電阻。根據(jù)以上公式即可計算出接地電阻。當通過這種方法檢測到的接地電阻小于動作電阻定值時，跳開總線開關(guān)，實現(xiàn)漏電保護。

附加直流法可以檢測系統(tǒng)對地絕緣的電阻值，精度高，原理簡單，但不能區(qū)分具體哪條電纜漏電，不具有選擇性，從而無法實現(xiàn)真正意義上的選擇性漏電保護。

2 三級帶選擇性的低壓漏電集中式保護方法的原理

三級帶選擇性的低壓漏電保護包括設(shè)于總線側(cè)的總開關(guān)和設(shè)于支路側(cè)的支路開關(guān)?？偩€側(cè)和常規(guī)附加直流法一樣，具有直流信號注入部件、直流電壓檢測部件、交流零序電壓采樣等。支路側(cè)包括支路采樣計算和支路跳閘控制部件等。

裝置正常運行時輸出直流電壓注入低壓電力網(wǎng)絡(luò)，每條支路上設(shè)置一個交直流采樣互感器，互感器既能采集安裝點的交流信號，又能采集安裝點的直流信號。采樣到的交流和直流信號經(jīng)過電纜傳輸給漏電保護裝置?；诟郊又绷髀╇姳Ｗo裝置接線示意圖如圖2所示。

在發(fā)生漏電時，保護裝置通過零序電壓計算接地電阻。當接地電阻小于保護電阻定值時，啟動第一級支路交流保護。通過檢測附加直流產(chǎn)生的直流電壓計算接地電阻，計算出流經(jīng)R02的直流電流，根據(jù)相關(guān)動作條件啟動第二級支路直流保護和第三級的總線漏電保護。

圖2 基于附加直流漏電保護裝置接線圖

接地故障時附加直流電流的流向示意圖如圖3所示，當發(fā)生漏電故障時，保護裝置檢測總線側(cè)的直流電壓UL，使用式（2）可以計算出系統(tǒng)對地電阻。如果計算出的電阻值小于保護設(shè)定的動作定值，則啟動漏電直流保護。裝置同時采樣所有支路的直流電流，計算每一條支路的直流電流值。由于直流電流在所有支路中只流過故障支路，因此故障支路的直流電路采樣值大小應(yīng)該和流經(jīng)電阻R02的直流電流接近。

如果有支路的直流電流值大于流經(jīng)電阻R02的直流電流值的一半且其他支路直流電流都較小時，即可判斷為該支路漏電；如果所有支路直流電流都較小，則為總線漏電。通過不同的延時定值，裝置可選擇跳開支路開關(guān)或總開關(guān)。通過上述方法即可實現(xiàn)漏電保護的選擇性。

圖3 接地故障時附加直流電流的流向圖

3 三級帶選擇性的低壓漏電集中式保護方法的實現(xiàn)

保護裝置通過支路直流電流判據(jù)、支路交流電流判據(jù)和漏電電阻判據(jù)實現(xiàn)漏電保護裝置的跳閘。低壓漏電保護裝置的保護邏輯如圖4所示。

圖4 低壓漏電保護裝置保護邏輯

漏電保護的邏輯判斷采用交流和直流的方法分別判斷。當根據(jù)采樣的零序電壓計算出的接地電阻小于保護設(shè)定電阻值時，開始啟動保護的交流判據(jù)。根據(jù)各支路零序電流的幅值和相對相位進行綜合判斷，選出漏電線路。這種方法動作速度快，滿足保護速動性的要求，同時具有一定的選擇性。

直流判據(jù)根據(jù)采樣的直流電壓UL和電路中的固定電阻計算出接地電阻值進行判斷。當接地電阻值小于保護動作電阻設(shè)定值時，根據(jù)支路直流電流和計算的總線直流電流選出漏電支路，經(jīng)延時跳開漏電線路。如果正確跳開漏電位置，系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)，保護返回。

總開關(guān)的判據(jù)只根據(jù)直流判據(jù)計算的接地電阻值進行判斷。當接地電阻值小于保護設(shè)定的定值時，總開關(guān)保護啟動并開始延時，延時大于定值后直接跳開總開關(guān)，確保低壓系統(tǒng)能可靠切除故障。

4 試驗測試

表1 系統(tǒng)電容為1μF時的數(shù)值

從表1可以看出，兩種方法都能準確計算出接地電阻值，滿足誤差20%以內(nèi)的要求，試驗漏電位置判斷的正確率高。

試驗2：試驗采用380V中性點不接地系統(tǒng)，在試驗1的基礎(chǔ)上增加1條支路，系統(tǒng)電容增加到1.2μF。裝置中設(shè)置的定值和參數(shù)同試驗1一樣。系統(tǒng)電容為1.2μF時的采樣值和計算值見表2。

表2 系統(tǒng)電容為1.2μF時的數(shù)值

試驗2模擬了由于系統(tǒng)增加一條線路或者現(xiàn)場環(huán)境的變化導致系統(tǒng)電容增加的現(xiàn)象。從表2可以看出，附加直流法計算的電阻值對環(huán)境變化不敏感，能準確計算出接地電阻值。但是根據(jù)零序電壓計算的電阻值與實際偏差較大，誤差超過20%。如果此時不能及時修改裝置中的系統(tǒng)參數(shù)，保護可能會拒動。

試驗3：試驗采用380V中性點不接地系統(tǒng)，模擬各種單相接地情況，驗證附加直流動作情況見表3。

表3 附加直流在各種接地情況下的動作

5 結(jié)論

與常規(guī)的兩級漏電保護相比，三級帶選擇性的低壓漏電集中式保護采集了各支路和總線上的直流信號，利用這些直流量參與保護邏輯計算，避免了常規(guī)保護受系統(tǒng)運行方式的影響導致非選擇性跳閘事故的發(fā)生。試驗結(jié)果證明，根據(jù)附加直流選擇性判據(jù)判斷漏電位置的方法可以使漏電保護裝置更準確地選出漏電線路，實現(xiàn)漏電保護的選擇性，保障系統(tǒng)的正常運行。

本文編自2022年第5期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于附加直流的選擇性低壓漏電保護實現(xiàn)方法”，作者為吳騫、周劭亮。