基于自然直流选择性的漏电保护的研究

选择性漏电保护是保证煤矿井下安全供电的3大保护(过流保护、漏电保护和保护接地)之一，是防止人身触电的重要保护措施[1] 。

本文在现有选择性漏电保护原理[3]的基础上，针对两分支电网单相漏电的情况，从理论上对数学模型进行了进一步的分析，并介绍了以计算机为核心的简单实施方案。

我国井下低压电网的中性点全部为不接地方式，选择性漏电保护装置主要采用零序电流型、零序功率方向型原理，零序电流型是利用故障支路零序电流大于任一支路自身的零序电流的特点实现选择性。它需要一定量的零序电流才能正确选线;零序功率方向型是通过比较各支路Io与Uo相位选出故障支路并切断该支路[2]，而在有消弧线圈补偿的电网中，这些特征已不复存在，流过各支路零序互感器的电流随补偿情况的不同和电网相对长度的变化而变化。所以，当引入消弧线圈后，这两种类型的保护将失去选择性而不能正常工作。目前选择性漏电保护在我国井下电网的使用中误动、拒动现象时有发生，因此井下电网漏电故障的正确检测成为矿井生产现场急需解决的难题。

　　1 自然直流选择性漏电保护的原理

　　1.1 系统构成

　　自然直流选择性漏电保护原理基于井下保护接地网络，直流检测源为由3个二极管组成一个半波整流桥，如图1，将电网中每个分支的地线用一个取样电阻R与电网的总接地网联在一起，检测电流通过接地网、取样电阻及电网绝缘电阻流回电网，构成直流检测网络。

　　1.2 保护原理分析

　　为讨论方便，设三相平衡电源为：

　　在正常情况下，电源的相电压A、B和C是对称的，波形如图2，各相对地的绝缘电阻值一般也是相等的。三相电源经半波整流后，总取样电阻R3上的电压输出波形是如图3所示的脉动的直流电压，各分支检测电流大致相同。

　　当第一分支A相漏电时，此时第一分支A相对地绝缘电阻值为r1a与Rr并联，破坏了假象负载的对称性，各分支检测信号发生了不同变化。由三相电源电压波形图2可看出，在0～T/3 时段，即ωt=0～2π/3时，A相电压总是高于B、C两相，因而A相的整流二极管D1处于导通，B、C两相的整流二极管D2、D3则在反向电压作用下处于截止状态;在T/3～2T/3 时段，即ωt= 2π/3～4π/3时段，D2导通，D1、D3处于截止状态;在2T/3～T时段，即ωt =4π/3～2π时段，D3导通，D1、D2处于截止状态。因此，这三个二极管依次处于导通和截止状态，取样电阻与总接地网及绝缘电阻在这三个时段分别构成不同的检测回路。根据各时段构成的不同回路，分别求出各检测信号与绝缘电阻和漏电阻间的数学关系式。并据此画出各检测电流波形图，如图4为漏电状况下一个周期的各检测电流的波形，即一个周期被分为三个时段。总检测电流IR3和漏电分支检测电流IRj1较大且变化趋势大致相同，而非漏电分支的检测电流IRj2较小，由此可区分漏电分支。

　　利用谐波分析法可求得各检测电流的有效值，当电网基本参数不变， 第一分支A 相漏电时， 漏电阻与流过总检测电阻R3的电流有效值IR3、漏电阻与流过漏电分支检测电阻Rj1电流有效值IRj1及漏电阻与非漏电分支检测电阻Rj2上的电流有效值IRj2的对应关系如图5示。随着绝缘电阻值的降低总检测信号IR3不断增加，当其达到设计动作值时， 通过计算机发出控制信号使漏电保护装置动作，自动馈电开关跳闸，可切除漏电故障，构成电网的总漏电保护。对于分支线路，电网绝缘水平正常时，检测电阻Rj1、Rj2上的直流电流较小，当某一支路绝缘水平下降到动作值时，故障支路上的检测电流迅速增大，而非故障支路上的电流基本保持不变，从而准确地区分故障支路和非故障支路，并由计算机发出控制信号将故障切除。

　　2 计算机控制的实现

　　2.1 信号的检测

　　通过有效值测量电路，获得各检测电流的有效值，并将其放大变换成-5～+5V的电压，再经A/D转换后送入计算机，计算机通过对这些数据的采集处理，即可判断电网的漏电状况。若有漏电即发出控制信号，经D/A转换后切断相应装置，同时发出报警信号。硬件构成如图6。

　　有效值的测量主要由输入放大器、全波整流器、有效值核心，输出放大器和偏置电路等5个基本部分组成。

　　2.2 控制软件设计

　　用DELPHI语言来读接口数据，并进行处理实施控制功能，根据采集到的各检测信号，与整定值比较并判断具体漏电的分支。一旦漏电立即发出控制信号切断漏电分支并报警，同时显示漏电的具体信息。程序框图如图7。

　　3 结论

　　依据本原理设计的系统在实验室低压模拟电网进行了单相漏电试验，结果表明在一定误差下该系统能够实现横向选择性和纵向选择性。在此基础上再做进一步的开发工作，将会具有很大的实用价值。