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

目前我國(guó)煤礦井下低壓電網(wǎng)常用的漏電保護(hù)一般為兩級(jí)式漏電保護(hù)。第一級(jí)漏電保護(hù)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(shí)接地點(diǎn)僅流過(guò)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(duì)相位來(lái)參與交流量保護(hù)。這種保護(hù)在動(dòng)作時(shí)間上滿足快速性的要求，同時(shí)也具有一定的選擇性。

接地電阻值的計(jì)算式為

式（1）

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生漏電并且計(jì)算的電阻小于保護(hù)漏電電阻定值時(shí)，漏電保護(hù)啟動(dòng)，通過(guò)邏輯判斷跳開漏電點(diǎn)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(jì)算的接地電阻受系統(tǒng)電容的影響，當(dāng)系統(tǒng)電容發(fā)生變化時(shí)，不能計(jì)算出真實(shí)的接地電阻，保護(hù)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(jí)漏電保護(hù)動(dòng)作，跳開總開關(guān)，切斷整個(gè)系統(tǒng)的供電。第二級(jí)漏電保護(hù)通常采用附加直流保護(hù)，供電系統(tǒng)接入附加直流電源注入的直流，保護(hù)裝置測(cè)量附加直流信號(hào)的電壓或電流，計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻。

如果絕緣電阻小于設(shè)定的電阻值，漏電保護(hù)經(jīng)設(shè)定的延時(shí)后跳開總開關(guān)。附加直流檢測(cè)原理構(gòu)成的漏電保護(hù)動(dòng)作無(wú)選擇性，當(dāng)發(fā)生支路漏電時(shí)，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)保護(hù)裝置如果不能正確選擇并切除漏電支路，總開關(guān)在到達(dá)延時(shí)設(shè)定值后跳閘，切斷整個(gè)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(jí)帶選擇性的低壓漏電集中式保護(hù)方法。該方法基于兩級(jí)式低壓漏電保護(hù)方案，僅增加支路直流采樣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝置數(shù)量少、適用性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 附加直流法

直流電阻的測(cè)量對(duì)判斷系統(tǒng)接地的接觸狀況起到重要作用。為了更加準(zhǔn)確地檢測(cè)漏電電阻，保護(hù)裝置提供一個(gè)獨(dú)立的直流電源。這個(gè)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(gè)直流回路。當(dāng)有支路或總線漏電時(shí)，在這個(gè)回路中可以檢測(cè)到直流電流。通過(guò)檢測(cè)該電流，可以計(jì)算出系統(tǒng)的漏電電阻，構(gòu)成附加直流原理的漏電保護(hù)。

附加直流法的接線示意圖如圖1所示。漏電檢測(cè)保護(hù)單元具有一個(gè)直流信號(hào)注入控制部件，電壓UZ通過(guò)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(cè)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(wú)關(guān)。由式（2）可知，采樣的UL值和支路的對(duì)地電阻Rp相關(guān)，會(huì)隨Rp的下降而增大。在無(wú)漏電時(shí)，由于支路的對(duì)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(dāng)發(fā)生漏電時(shí)，電網(wǎng)對(duì)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(jì)算出接地電阻。當(dāng)通過(guò)這種方法檢測(cè)到的接地電阻小于動(dòng)作電阻定值時(shí)，跳開總線開關(guān)，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。

附加直流法可以檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)地絕緣的電阻值，精度高，原理簡(jiǎn)單，但不能區(qū)分具體哪條電纜漏電，不具有選擇性，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的選擇性漏電保護(hù)。

2 三級(jí)帶選擇性的低壓漏電集中式保護(hù)方法的原理

三級(jí)帶選擇性的低壓漏電保護(hù)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(hào)注入部件、直流電壓檢測(cè)部件、交流零序電壓采樣等。支路側(cè)包括支路采樣計(jì)算和支路跳閘控制部件等。

裝置正常運(yùn)行時(shí)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(gè)交直流采樣互感器，互感器既能采集安裝點(diǎn)的交流信號(hào)，又能采集安裝點(diǎn)的直流信號(hào)。采樣到的交流和直流信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜傳輸給漏電保護(hù)裝置?；诟郊又绷髀╇姳Ｗo(hù)裝置接線示意圖如圖2所示。

在發(fā)生漏電時(shí)，保護(hù)裝置通過(guò)零序電壓計(jì)算接地電阻。當(dāng)接地電阻小于保護(hù)電阻定值時(shí)，啟動(dòng)第一級(jí)支路交流保護(hù)。通過(guò)檢測(cè)附加直流產(chǎn)生的直流電壓計(jì)算接地電阻，計(jì)算出流經(jīng)R02的直流電流，根據(jù)相關(guān)動(dòng)作條件啟動(dòng)第二級(jí)支路直流保護(hù)和第三級(jí)的總線漏電保護(hù)。

圖2 基于附加直流漏電保護(hù)裝置接線圖

接地故障時(shí)附加直流電流的流向示意圖如圖3所示，當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，保護(hù)裝置檢測(cè)總線側(cè)的直流電壓UL，使用式（2）可以計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電阻。如果計(jì)算出的電阻值小于保護(hù)設(shè)定的動(dòng)作定值，則啟動(dòng)漏電直流保護(hù)。裝置同時(shí)采樣所有支路的直流電流，計(jì)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(guò)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(shí)，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(guò)不同的延時(shí)定值，裝置可選擇跳開支路開關(guān)或總開關(guān)。通過(guò)上述方法即可實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的選擇性。

圖3 接地故障時(shí)附加直流電流的流向圖

3 三級(jí)帶選擇性的低壓漏電集中式保護(hù)方法的實(shí)現(xiàn)

保護(hù)裝置通過(guò)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(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)裝置的跳閘。低壓漏電保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯如圖4所示。

圖4 低壓漏電保護(hù)裝置保護(hù)邏輯

漏電保護(hù)的邏輯判斷采用交流和直流的方法分別判斷。當(dāng)根據(jù)采樣的零序電壓計(jì)算出的接地電阻小于保護(hù)設(shè)定電阻值時(shí)，開始啟動(dòng)保護(hù)的交流判據(jù)。根據(jù)各支路零序電流的幅值和相對(duì)相位進(jìn)行綜合判斷，選出漏電線路。這種方法動(dòng)作速度快，滿足保護(hù)速動(dòng)性的要求，同時(shí)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(jì)算出接地電阻值進(jìn)行判斷。當(dāng)接地電阻值小于保護(hù)動(dòng)作電阻設(shè)定值時(shí)，根據(jù)支路直流電流和計(jì)算的總線直流電流選出漏電支路，經(jīng)延時(shí)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(hù)返回。

總開關(guān)的判據(jù)只根據(jù)直流判據(jù)計(jì)算的接地電阻值進(jìn)行判斷。當(dāng)接地電阻值小于保護(hù)設(shè)定的定值時(shí)，總開關(guān)保護(hù)啟動(dòng)并開始延時(shí)，延時(shí)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(yàn)測(cè)試

表1 系統(tǒng)電容為1μF時(shí)的數(shù)值

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

試驗(yàn)2：試驗(yàn)采用380V中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在試驗(yàn)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(yàn)1一樣。系統(tǒng)電容為1.2μF時(shí)的采樣值和計(jì)算值見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)電容為1.2μF時(shí)的數(shù)值

試驗(yàn)2模擬了由于系統(tǒng)增加一條線路或者現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化導(dǎo)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(jì)算的電阻值對(duì)環(huán)境變化不敏感，能準(zhǔn)確計(jì)算出接地電阻值。但是根據(jù)零序電壓計(jì)算的電阻值與實(shí)際偏差較大，誤差超過(guò)20%。如果此時(shí)不能及時(shí)修改裝置中的系統(tǒng)參數(shù)，保護(hù)可能會(huì)拒動(dòng)。

試驗(yàn)3：試驗(yàn)采用380V中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，模擬各種單相接地情況，驗(yàn)證附加直流動(dòng)作情況見(jiàn)表3。

表3 附加直流在各種接地情況下的動(dòng)作

5 結(jié)論

與常規(guī)的兩級(jí)漏電保護(hù)相比，三級(jí)帶選擇性的低壓漏電集中式保護(hù)采集了各支路和總線上的直流信號(hào)，利用這些直流量參與保護(hù)邏輯計(jì)算，避免了常規(guī)保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響導(dǎo)致非選擇性跳閘事故的發(fā)生。試驗(yàn)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(hù)裝置更準(zhǔn)確地選出漏電線路，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的選擇性，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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