南瑞集团科研人员提出基于附加直流的选择性低压漏电保护实现方法

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选择性是低压漏电保护的基本要求之一，也是衡量低压漏电保护是否合格的标准之一。南瑞集团公司（国网电力科学研究院）等单位的研究人员吴骞、周劭亮，在2022年第5期《电气技术》上撰文，针对常规带附加直流部件的低压漏电保护的缺点，提出一种新型基于附加直流的选择性保护实现方法。利用安装在支路上的交直流采样元件采集并计算各支路交直流电流量，根据交流量和直流量的大小及方向，通过特定算法选择故障支路。这种判别方法解决了附加直流没有选择性的问题，具有结构简单、装置数量少、适用性强、易于扩展、可靠性高等优点，能满足低压漏电保护的选择性要求。

井下的安全供电一般包括接地保护、漏电保护和过电流保护，漏电保护是其中最重要的保护。采取安全可靠的漏电保护可以极大地提高井下供电的安全性和可靠性。

目前我国煤矿井下低压电网常用的漏电保护一般为两级式漏电保护。第一级漏电保护一般利用各支路的交流零序电流参与逻辑判断。由于漏电时接地点仅流过其他支路电容电流之和，可以利用零序交流电流的幅值和相对相位来参与交流量保护。这种保护在动作时间上满足快速性的要求，同时也具有一定的选择性。

接地电阻值的计算式为

当系统中发生漏电并且计算的电阻小于保护漏电电阻定值时，漏电保护启动，通过逻辑判断跳开漏电点所在线路，使供电系统恢复正常状态，确保供电系统的安全稳定。从式（1）可以看出，计算的接地电阻受系统电容的影响，当系统电容发生变化时，不能计算出真实的接地电阻，保护装置容易发生误判。

如果支路开关选择不正确或不能正确跳开，则第二级漏电保护动作，跳开总开关，切断整个系统的供电。第二级漏电保护通常采用附加直流保护，供电系统接入附加直流电源注入的直流，保护装置测量附加直流信号的电压或电流，计算系统对地绝缘电阻。

如果绝缘电阻小于设定的电阻值，漏电保护经设定的延时后跳开总开关。附加直流检测原理构成的漏电保护动作无选择性，当发生支路漏电时，在设定的时间内保护装置如果不能正确选择并切除漏电支路，总开关在到达延时设定值后跳闸，切断整个系统的供电。

本文在分析附加直流法的基础上，提出一种具有三级带选择性的低压漏电集中式保护方法。该方法基于两级式低压漏电保护方案，仅增加支路直流采样，具有结构简单、装置数量少、适用性强、易于扩展、可靠性高等优点。

1  附加直流法

直流电阻的测量对判断系统接地的接触状况起到重要作用。为了更加准确地检测漏电电阻，保护装置提供一个独立的直流电源。这个直流电源加在低压电网和大地之间，由直流电源、低压电网和大地组成一个直流回路。当有支路或总线漏电时，在这个回路中可以检测到直流电流。通过检测该电流，可以计算出系统的漏电电阻，构成附加直流原理的漏电保护。

附加直流法的接线示意图如图1所示。漏电检测保护单元具有一个直流信号注入控制部件，电压UZ通过隔直电容C0、电阻R01、电阻R02和电抗器注入三相电网中。

图1  附加直流法的接线示意图

在电阻R02上测到的直流电压值为

附加直流回路所增加的所有电阻Ri为固定值，与支路是否漏电无关。由式（2）可知，采样的UL值和支路的对地电阻Rp相关，会随Rp的下降而增大。在无漏电时，由于支路的对地电阻很大，流经电阻R02的电流很小，采样的电压UL大小接近于0。当发生漏电时，电网对地的电阻降低，大小大致等于接地电阻。根据以上公式即可计算出接地电阻。当通过这种方法检测到的接地电阻小于动作电阻定值时，跳开总线开关，实现漏电保护。

附加直流法可以检测系统对地绝缘的电阻值，精度高，原理简单，但不能区分具体哪条电缆漏电，不具有选择性，从而无法实现真正意义上的选择性漏电保护。

2  三级带选择性的低压漏电集中式保护方法的原理

三级带选择性的低压漏电保护包括设于总线侧的总开关和设于支路侧的支路开关。总线侧和常规附加直流法一样，具有直流信号注入部件、直流电压检测部件、交流零序电压采样等。支路侧包括支路采样计算和支路跳闸控制部件等。

装置正常运行时输出直流电压注入低压电力网络，每条支路上设置一个交直流采样互感器，互感器既能采集安装点的交流信号，又能采集安装点的直流信号。采样到的交流和直流信号经过电缆传输给漏电保护装置。基于附加直流漏电保护装置接线示意图如图2所示。

在发生漏电时，保护装置通过零序电压计算接地电阻。当接地电阻小于保护电阻定值时，启动第一级支路交流保护。通过检测附加直流产生的直流电压计算接地电阻，计算出流经R02的直流电流，根据相关动作条件启动第二级支路直流保护和第三级的总线漏电保护。

图2  基于附加直流漏电保护装置接线示意图

接地故障时附加直流电流的流向示意图如图3所示，当发生漏电故障时，保护装置检测总线侧的直流电压UL，使用式（2）可以计算出系统对地电阻。如果计算出的电阻值小于保护设定的动作定值，则启动漏电直流保护。装置同时采样所有支路的直流电流，计算每一条支路的直流电流值。由于直流电流在所有支路中只流过故障支路，因此故障支路的直流电路采样值大小应该和流经电阻R02的直流电流接近。

如果有支路的直流电流值大于流经电阻R02的直流电流值的一半且其他支路直流电流都较小时，即可判断为该支路漏电；如果所有支路直流电流都较小，则为总线漏电。通过不同的延时定值，装置可选择跳开支路开关或总开关。通过上述方法即可实现漏电保护的选择性。

图3  接地故障时附加直流电流的流向示意图

3  三级带选择性的低压漏电集中式保护方法的实现

保护装置通过支路直流电流判据、支路交流电流判据和漏电电阻判据实现漏电保护装置的跳闸。低压漏电保护装置保护逻辑如图4所示。

图4  低压漏电保护装置保护逻辑

漏电保护的逻辑判断采用交流和直流方法分别判断。当根据采样的零序电压计算出的接地电阻小于保护设定电阻值时，开始启动保护的交流判据。根据各支路零序电流的幅值和相对相位进行综合判断，选出漏电线路。这种方法动作速度快，满足保护速动性的要求，同时具有一定的选择性。

直流判据根据采样的直流电压UL和电路中的固定电阻计算出接地电阻值进行判断。当接地电阻值小于保护动作电阻设定值时，根据支路直流电流和计算的总线直流电流选出漏电支路，经延时跳开漏电线路。如果正确跳开漏电位置，系统恢复正常状态，保护返回。

总开关的判据只根据直流判据计算的接地电阻值进行判断。当接地电阻值小于保护设定的定值时，总开关保护启动并开始延时，延时大于定值后直接跳开总开关，确保低压系统能可靠切除故障。

4  试验测试

表1  系统电容为1μF时的采样值和计算值

从表1可以看出，两种方法都能准确计算出接地电阻值，满足误差20%以内的要求，试验漏电位置判断的正确率高。

试验2：试验采用380V中性点不接地系统，在试验1的基础上增加1条支路，系统电容增加到1.2μF。装置中设置的定值和参数同试验1一样。系统电容为1.2μF时的采样值和计算值见表2。

表2  系统电容为1.2μF时的采样值和计算值

试验2模拟了由于系统增加一条线路或者现场环境的变化导致系统电容增加的现象。从表2可以看出，附加直流法计算的电阻值对环境变化不敏感，能准确计算出接地电阻值。但是根据零序电压计算的电阻值与实际偏差较大，误差超过20%。如果此时不能及时修改装置中的系统参数，保护可能会拒动。

试验3：试验采用380V中性点不接地系统，模拟各种单相接地情况，验证附加直流动作情况见表3。

表3  附加直流在各种接地情况下的动作情况

5  结论

与常规的两级漏电保护相比，三级带选择性的低压漏电集中式保护采集了各支路和总线上的直流信号，利用这些直流量参与保护逻辑计算，避免了常规保护受系统运行方式的影响导致非选择性跳闸事故的发生。试验结果证明，根据附加直流选择性判据判断漏电位置的方法可以使漏电保护装置更准确地选出漏电线路，实现漏电保护的选择性，保障系统的正常运行。

本文编自2022年第5期《电气技术》，论文标题为“基于附加直流的选择性低压漏电保护实现方法”，作者为吴骞、周劭亮。

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