煤矿高压电网漏电保护系统的改进方案研究
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【摘 要】随着矿井高压电网容量的不断增大，为限制超出20A的单相接地电流，以满足《煤矿安全规程》第457条的规定，需要在高压电网中接入消弧线圈，这样就使得漏电保护的选择性受到了影响。对于当前应用的两种主流漏电保护，零序功率方向型漏电保护具有选线准确的优点，但不适用于中性点经消弧线圈接地的电网；谐波方向型漏电保护具有适用于不同接地方式的优点，但灵敏度较低。因此，研究灵敏、准确、性能更理想的选择性漏电保护具有重要意义。
【关键词】矿山机电；高压电网；漏电保护；接地方式；供电可靠性；负荷波动；特征信号
0 引言
随着煤矿现代化程度的不断提高和井下高压供电距离的增加，对煤矿井下供电系统可靠性、连续性和安全性的要求越来越高，同时，由于煤矿井下工作环境恶劣，负荷波动大，工况很不稳定，瓦斯煤尘积聚，滴水冒顶事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低，而且由于操作人员维护不当或操作错误、输电线路的导线断裂等原因，经常会出现漏电及单相接地故障。接地故障若不及时排除，非故障相的对地电压会升为线电压，长时运行将导致对地绝缘击穿，甚至发生三相或两相短路事故。单相接地、相间短路故障发生时产生的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井的安全生产。为此，研究高性能的矿井高压电网选择性漏电保护系统具有重要的现实意义和重大的经济价值。
1 零序功率方向式漏电保护原理
零序功率方向式漏电保护利用零序电流或零序电压幅值的大小来判断保护的供电单元内是否发生漏电，同时利用各支路的零序电流与零序电压的相位关系来判断故障支路，而后动作，有选择性地切除故障。
图1 单相接地故障等值电路
当电网中某支路发生漏电故障或人身触电事故时，由取样电路分别从电网中取出零序电压和各支路的零序电流信号，经放大整形后，由相位比较电路来判别故障支路，最后启动执行电路，切断故障支路的电源，从而实现有选择性的漏电保护。简言之，就是对零序电压和零序电流进行幅值和相位综合处理以判断故障支路，进而切除故障支路电源的原理。对于中性点不接地系统，它的灵敏较高，选择性也好，这是零序功率方向保护优点。
但目前煤矿高压电网当单相接地电流大于20A时，普遍采用的是中性点经消弧线圈并联高阻的接地方式，此时单相非金属性接地故障的等值电路如图1所示。
由理论分析可得，当1/wl3wc时，为过补偿方式，故障电流为感性，其相位超前零序电压30°-60°，可见从欠补偿到过补偿的相位变化为60°-120°。
该特点使得零序功率方向型漏电保护失去利用相位选择故障支路的条件，并使按零序电流大小来整定的保护灵敏度不能得到保证。若能采用自适应保护原理，使欠补偿方式与动作值整定跟随电网运行状态的变化，则零序功率方向型漏电保护系统就能适应中性点经消弧线圈并联高阻的接地方式。可见，此时零序功率方向型已不能满足选择性要求。而谐波方向型漏电保护方案虽能够同时适应各种不同的中性点接地方式电网的选择性要求，但其灵敏度较低。故需要一种灵敏度高、选线准确，能同时适用于不同接地方式的新型矿井高压电网选择性漏电保护方案。
图2 系统原理框图
本文考虑采用一种新的矿井高压电网微机自适应选线式漏电保护方案，采用自适应欠补偿方式、随机整定与相敏比较，并以微机处理控制单元为核心，通过在线检测电网对地电容的大小来决定自适应自动补偿的数值和漏电保护的整定值，同时提取漏电故障特征信号中的零序电压和零序电流信号，通过其幅值和相位的变化特征构成选线判据，根据选线判据准确、灵敏的切除漏电故障。这种新型的漏电保护方案在适应不同的接地方式的同时也能提高选线的灵敏度和可靠性。该方案的保护原理图如图2所示。
2.1 消弧线圈随机补偿抽头的确定
由于电网不断发生变化，在此选用的自动跟踪补偿消弧线圈与老式固定补偿消弧线圈相比，具有较好的调节性。消弧线圈的补偿原理见图3，所谓消弧线圈补偿，即在变压器中性点与地之间接一适当电感，用电感电流抵消接地点电容电流。
图3 消弧线圈补偿原理
当无接地故障时，0 点电位■■= 0，电感L上无电流，即■■=0。当 A 相接地时，0点出现电压■■。在■■作用下，有一电感电流■■=■■/jωC=-j■■/ωC流入地。
若电感值L取得合适，使3ωC-1/ωL=0，则接地点电流为0，称全补偿，若L取得过大，使电感电流不足以全部抵消电容电流，称欠补偿，反之则称之为过补偿。在没有实现自动跟踪补偿前，消弧线圈只能分段调整，因此，不可能与电网分布电容形成完全补偿，不是欠补偿即为过补偿。为避免全补偿可能引发串联谐振，形成危险过电压，故以前实际电网的消弧线圈均处于过补偿运行，并设置一定的脱谐度（5-10%）。
2.2 自适应随机整定
自适应继电保护是 20 世纪 80 年代提出的研究课题。其基本思想是使保护装置尽可能地适应电力系统的各种变化，改善保护性能，即能够适应电力系统各种运行方式和复杂故障类型，有效地处理故障信息，从而获得更可靠的保护。本方案整定原理与传统的零序功率方向型漏电保护相同，但有两点改进：一是，利用自适应保护原理而采用的随机整定，即在每个巡检周期内均要预算出此时发生单相接地时的零序电压和零序电流的大小，并分别除以 2，作为判定是否发生漏电故障的判据，因而具有足够的灵敏度；二是，由于采用了自适应欠补偿方式，实际发生单相接地时，接地电流基本上是被固定在 5～15A 的范围内，相应的零序电压也将在一定的范围之内，因而容易设置。
2.3 纵向选择性的保证
我国矿井高压（6kV）供电网络一般分为三级，即地面变电所、井下中央变电所和采区变电所。为了实现漏电保护选择性的要求，这些变电所都应装设选择性的漏电保护装置，从而构成三级选择性漏电保护系统。
第一级漏电保护装置为综合保护，装在采区变电所 6kV 隔爆型高压真空配电箱中，其作用是当单相漏电发生在采区变电所至移动变电站之间时，该保护装置迅速动作（
3 结束语
本文采用的微机自适应选线式漏电保护方案，不仅有稳定的漏电动作值，而且还能准确实现电网横向选择性漏电保护。该保护方案灵敏度高，选线准确，可靠性高，并适用于不同接地方式的特点，具有较好的应用前景。
【参考文献】
[1]金兆民.煤矿6kV电网消弧线圈补偿对高压选择性接地保护装置的影响[J].煤炭科学技术，1997（2）.
[2]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.