一種零序功率選擇性漏電保護方法
2024-8-12 13:46:47 點擊：
當前我國煤礦井下采掘工作面多設置有移動變電站，為滿足現場使用需求，通常在移動變電站低壓側安裝饋電總開關[1]。饋電總開關中零序電抗器會對低壓電網進行補償，根據零序電抗器對電網補償程度的不同可分為欠補償、全補償和過補償3種狀態[2]。目前煤礦低壓電網漏電保護裝置多采用零序功率方向選線原理，即利用故障支路零序電流超前零序電壓90°、非故障支路零序電流滯后零序電壓90°的原理實現保護[3-6]。該保護原理是建立在電網零序等效阻抗為純容性的基礎上[7-9]，而零序電抗器的補償改變了電網等效阻抗[10-11]，使故障支路零序電流幅值更小且相位發生變化，導致漏電保護裝置可靠性降低。本文設計了一種礦用低壓漏電保護裝置，該裝置通過采集零序電壓和支路零序電流，比較各支路零序電流與零序電壓相位差，以此作為故障選線判據。
1 裝置工作原理
零序電抗器并聯電阻接地系統發生單相接地故障時零序等效網絡如圖1所示。假設l3支路C相經過渡電阻RD發生單相接地故障。LH1，LH2，LH3分別為支路l1，l2，l3的零序電流互感器;R1，R2，R3和C1，C2，C3分別為支路l1，l2，l3絕緣電阻和對地電容;
為支路l3對地電容電流;L為零序電抗器;R為零序電抗器并聯電阻;
分別為流過R，L的電流。在正常運行狀態下，各支路三相絕緣電阻、對地電容均相等。
電網正常運行時，根據式(3)可實現對電網絕緣電阻的連續監測。當人身觸電或發生漏電故障使r達到裝置動作設定值時，電路可迅速將電源切除。另外，即使電網的絕緣電阻均勻下降，仍可將此故障現象檢測出來，這是附加直流電源漏電保護的一大優點。對于總饋電開關而言，它已經能滿足漏電保護的要求。但是，利用附加直流電源實現的漏電保護裝置不具備選擇性，當電網中發生漏電故障時，該裝置都會無選擇性地動作。
1.2 零序功率選擇性漏電保護原理
選擇性漏電保護是利用零序電壓與零序電流的相位判別原理來完成的。當電網某一相發生漏電時，故障支路的零序電流與非故障支路的零序電流相位相反，相對零序電壓而言，故障支路零序電流滯后90度，而非故障之路零序電流則超前90度。其相位圖如圖2所示。
本文所采用的方法是將零序電壓相位向后移90度，以使故障支路的零序電流信號與移相后的電壓信號同相，而非故障支路的零序電流與移相后的電壓信號則反相。由此可見，根據零序電壓和零序電流的方向，即可判斷出故障支路，從而采用保護措施。
2 硬件設計
本文以二分支井下電網為例來進行說明。其電網結構圖如圖3所示。本方案在總開關中使用附加直流源原理，而在分支1和分支2中均采用選擇性漏電保護原理來對開關進行保護。
2.1 附加直流源漏電保護設計
附加直流源的輸出信號為U1，將U1的值通過線性光耦以及調理電路后送入AD采樣，再通過單片機對其電壓大小進行判斷，這樣，當發生漏電時，絕緣電阻降低，U1的值增大，從而可根據U1的值來判斷是否漏電。
2.2 選擇性漏電保護設計
礦用低壓饋電開關的選擇性漏電保護是指當礦井低壓電網中某條支路的某一相發生人身觸電、單相對地放電或單相對地漏電流時，系統及時檢測出漏電故障并作用于跳閘，從而有選擇性地切斷故障線路，但仍可保證非故障線路安全運行的保護設施。
圖4所示為零序功率方向式選擇性漏電保護系統的原理示意圖。當電網漏電時，可由取樣電路分別從電網中取出零序電壓信號和零序電流信號，然后經放大整形，再由過零比較電路來判斷故障支路，最后啟動執行電路，以切斷故障支路的電源，實現有選擇性的漏電保護。零序功率方向式選擇性漏電保護方式具有很強的橫向選擇性，可以選擇性地進行漏電保護。
3 軟件設計
軟件系統可用于實現對主開關和分開關的選擇。它通過單片機控制外部電路，以便在主漏電電路和分漏電電路之間進行切換，從而在一套系統上兼容主開關和分開關功能，同時可發出漏電故障報警并控制顯示電路。。
1 裝置工作原理
零序電抗器并聯電阻接地系統發生單相接地故障時零序等效網絡如圖1所示。假設l3支路C相經過渡電阻RD發生單相接地故障。LH1，LH2，LH3分別為支路l1，l2，l3的零序電流互感器;R1，R2，R3和C1，C2，C3分別為支路l1，l2，l3絕緣電阻和對地電容;
為支路l3對地電容電流;L為零序電抗器;R為零序電抗器并聯電阻;
分別為流過R，L的電流。在正常運行狀態下，各支路三相絕緣電阻、對地電容均相等。
電網正常運行時，根據式(3)可實現對電網絕緣電阻的連續監測。當人身觸電或發生漏電故障使r達到裝置動作設定值時，電路可迅速將電源切除。另外，即使電網的絕緣電阻均勻下降，仍可將此故障現象檢測出來，這是附加直流電源漏電保護的一大優點。對于總饋電開關而言，它已經能滿足漏電保護的要求。但是，利用附加直流電源實現的漏電保護裝置不具備選擇性，當電網中發生漏電故障時，該裝置都會無選擇性地動作。
1.2 零序功率選擇性漏電保護原理
選擇性漏電保護是利用零序電壓與零序電流的相位判別原理來完成的。當電網某一相發生漏電時，故障支路的零序電流與非故障支路的零序電流相位相反，相對零序電壓而言，故障支路零序電流滯后90度，而非故障之路零序電流則超前90度。其相位圖如圖2所示。
本文所采用的方法是將零序電壓相位向后移90度，以使故障支路的零序電流信號與移相后的電壓信號同相，而非故障支路的零序電流與移相后的電壓信號則反相。由此可見，根據零序電壓和零序電流的方向，即可判斷出故障支路，從而采用保護措施。
2 硬件設計
本文以二分支井下電網為例來進行說明。其電網結構圖如圖3所示。本方案在總開關中使用附加直流源原理，而在分支1和分支2中均采用選擇性漏電保護原理來對開關進行保護。
2.1 附加直流源漏電保護設計
附加直流源的輸出信號為U1，將U1的值通過線性光耦以及調理電路后送入AD采樣，再通過單片機對其電壓大小進行判斷，這樣，當發生漏電時，絕緣電阻降低，U1的值增大，從而可根據U1的值來判斷是否漏電。
2.2 選擇性漏電保護設計
礦用低壓饋電開關的選擇性漏電保護是指當礦井低壓電網中某條支路的某一相發生人身觸電、單相對地放電或單相對地漏電流時，系統及時檢測出漏電故障并作用于跳閘，從而有選擇性地切斷故障線路，但仍可保證非故障線路安全運行的保護設施。
圖4所示為零序功率方向式選擇性漏電保護系統的原理示意圖。當電網漏電時，可由取樣電路分別從電網中取出零序電壓信號和零序電流信號，然后經放大整形，再由過零比較電路來判斷故障支路，最后啟動執行電路，以切斷故障支路的電源，實現有選擇性的漏電保護。零序功率方向式選擇性漏電保護方式具有很強的橫向選擇性，可以選擇性地進行漏電保護。
3 軟件設計
軟件系統可用于實現對主開關和分開關的選擇。它通過單片機控制外部電路，以便在主漏電電路和分漏電電路之間進行切換，從而在一套系統上兼容主開關和分開關功能，同時可發出漏電故障報警并控制顯示電路。。
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