一种零序功率选择性漏电保护方法

当前我国煤矿井下采掘工作面多设置有移动变电站，为满足现场使用需求，通常在移动变电站低压侧安装馈电总开关[1]。馈电总开关中零序电抗器会对低压电网进行补偿，根据零序电抗器对电网补偿程度的不同可分为欠补偿、全补偿和过补偿3种状态[2]。目前煤矿低压电网漏电保护装置多采用零序功率方向选线原理，即利用故障支路零序电流超前零序电压90°、非故障支路零序电流滞后零序电压90°的原理实现保护[3-6]。该保护原理是建立在电网零序等效阻抗为纯容性的基础上[7-9]，而零序电抗器的补偿改变了电网等效阻抗[10-11]，使故障支路零序电流幅值更小且相位发生变化，导致漏电保护装置可靠性降低。本文设计了一种矿用低压漏电保护装置，该装置通过采集零序电压和支路零序电流，比较各支路零序电流与零序电压相位差，以此作为故障选线判据。

1 装置工作原理

零序电抗器并联电阻接地系统发生单相接地故障时零序等效网络如图1所示。假设l3支路C相经过渡电阻RD发生单相接地故障。LH1，LH2，LH3分别为支路l1，l2，l3的零序电流互感器;R1，R2，R3和C1，C2，C3分别为支路l1，l2，l3绝缘电阻和对地电容;

为支路l3对地电容电流;L为零序电抗器;R为零序电抗器并联电阻;

分别为流过R，L的电流。在正常运行状态下，各支路三相绝缘电阻、对地电容均相等。

电网正常运行时，根据式(3)可实现对电网绝缘电阻的连续监测。当人身触电或发生漏电故障使r达到装置动作设定值时，电路可迅速将电源切除。另外，即使电网的绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障现象检测出来，这是附加直流电源漏电保护的一大优点。对于总馈电开关而言，它已经能满足漏电保护的要求。但是，利用附加直流电源实现的漏电保护装置不具备选择性，当电网中发生漏电故障时，该装置都会无选择性地动作。

1.2 零序功率选择性漏电保护原理

选择性漏电保护是利用零序电压与零序电流的相位判别原理来完成的。当电网某一相发生漏电时，故障支路的零序电流与非故障支路的零序电流相位相反，相对零序电压而言，故障支路零序电流滞后90度，而非故障之路零序电流则超前90度。其相位图如图2所示。

本文所采用的方法是将零序电压相位向后移90度，以使故障支路的零序电流信号与移相后的电压信号同相，而非故障支路的零序电流与移相后的电压信号则反相。由此可见，根据零序电压和零序电流的方向，即可判断出故障支路，从而采用保护措施。

2 硬件设计

本文以二分支井下电网为例来进行说明。其电网结构图如图3所示。本方案在总开关中使用附加直流源原理，而在分支1和分支2中均采用选择性漏电保护原理来对开关进行保护。

2.1 附加直流源漏电保护设计

图1中，附加直流源的输出信号为U1，将U1的值通过线性光耦以及调理电路后送入AD采样，再通过单片机对其电压大小进行判断，这样，当发生漏电时，绝缘电阻降低，U1的值增大，从而可根据U1的值来判断是否漏电。

2.2 选择性漏电保护设计

矿用低压馈电开关的选择性漏电保护是指当矿井低压电网中某条支路的某一相发生人身触电、单相对地放电或单相对地漏电流时，系统及时检测出漏电故障并作用于跳闸，从而有选择性地切断故障线路，但仍可保证非故障线路安全运行的保护设施。

图4所示为零序功率方向式选择性漏电保护系统的原理示意图。当电网漏电时，可由取样电路分别从电网中取出零序电压信号和零序电流信号，然后经放大整形，再由过零比较电路来判断故障支路，最后启动执行电路，以切断故障支路的电源，实现有选择性的漏电保护。零序功率方向式选择性漏电保护方式具有很强的横向选择性，可以选择性地进行漏电保护。

3 软件设计

软件系统可用于实现对主开关和分开关的选择。它通过单片机控制外部电路，以便在主漏电电路和分漏电电路之间进行切换，从而在一套系统上兼容主开关和分开关功能，同时可发出漏电故障报警并控制显示电路。其系统软件设计流程图如图5所示。