馈电系统的漏电保护技术

    目前我国井下使用的漏电保护技术有：基于附加直流电源漏电保护原理构成的漏电保护；基于检测零序电压大小构成的漏电保护和由检测零序电流大小构成的漏电保护等。这些技术都存在一定的缺陷：

    (1)通过检测附加直流电源实现漏电保护，动作无选择性。(2)通过检测零序电压大小实现漏电保护，动作电阻值不稳定。(3)通过检测零序电流大小实现漏电保护，单相漏电时动作有选择性，但动作电阻值不稳定，当电网支路较少时，易产生误动作。(4)通过测量零序电流方向实现漏电保护，可以利用故障和非故障支路零序电流的大小和方向的不同加以区分，达到选择性保护的目的，但其存在动作电阻值不稳定，并且需要有足够大的零序电流才能使能保护动作。

    针对当前井下低压电网的环境和技术上的缺陷，系统采用附加直流和零序功率方向检测两种技术，提出在电网的主支路选择基于附加直流源保护原理的漏电装置；而在电网的分支路选择基于零序功率方向保护原理的选择漏电保护装置。既保证了准确的动作电阻值，又保证了动作的选择性。提高了馈电系统的可靠性和稳定性，可以满足工业现场的应用需求。

1 漏电保护原理

1．1 附加直流源漏电保护原理

    电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻值的下降。可在三相电网与地之间附加一个独立的直流电源，则在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流过，该电流的大小变化直接反应了电网对地绝缘电阻的变化，有效地检测和利用该电流就可以构成附加直流电源，进行检测漏电保护。

    如图1所示，直流电流I由独立直流电源的正极经电阻R1流入三相电抗器的人为中性点，经三相电抗器进入三相线路，再经电网对地绝缘电阻r1，r2，r3流入地，最终返回负极。由于三相电抗器的电阻非常小，当取样电阻阻值一定时，直流电流主要由电网对地绝缘电阻决定。因此只需检测取样电阻R1上的直流电压大小即可分析电网对地的绝缘情况。

1．2 选择性漏电原理
    在多支路的辐射式电网中，当任意支路发生漏电故障时，各分支线路中都会有零序电流通过。通过故障支路的零序电流的大小和方向都与非故障支路不同。故障支路的零序电流是所有非故障支路零序电流之和。根据零序电流大小的不同可以区分故障支路和非故障支路。这就是用零序电流幅值比较法进行选择漏电故障支路的理论依据。此外，故障支路的零序电流方向是流向母线的，而非故障支路则由母线流向支路。它们的方向不同，这就是零序电流功率方向的保护原理。零序电流和零序电压的相位采用硬件处理判断，零序电流采用硬件整流，微处理器只须进行直流采样，使得软件算法简洁，判断迅速。
2 硬件及软件实现
2．1 附加直流源法硬件实现
    漏电保护的附加直流源硬件框图如图2所示，漏电电流通过采样电阻R2获取电压，经过滤波电路滤除干扰信号经光耦隔离后送入A／D前端进行采样。
2．2 零序功率方向型漏电检测法硬件实现
    通过零序功率方向信息判断漏电故障支路，再通过漏电支路零序电流阈值进行二次判断后，可以准确地判断漏电故障支路。因此该系统需要获取井下电网的零序电压和零序电流来进行功率方向判断，其获取电路框图如图3所示。零序电压的获取是利用三相电抗器的中性点外接电阻获得，通过无源、有源的滤波衰减后，经方波整形、光耦隔离与零序电流信号异或后，再送入微处理器的电平监测单元。零序电流互感器通过三相线获得零序电流，电流经采样电阻变为电压信号。电压信号经放大、滤波、调理后分为两路。一路通过方波整形、光耦隔离与零序电压脉冲信号异或后送入为处理器的电平监测单元；另一路通过整流，线性光耦隔离送入微处理器的A／D采样单元。

2．3 附加直流源保护软件实现
    附加直流源法的软件部分主要包含漏电电阻值的标定和漏电故障判断两部分。由于处理器只能获取电阻值的电压信号，因此首先要对采样电压值对应的电阻值进行标定，然后把标定值记录在Flash中，用来判断漏电电阻的阻值。漏电故障判断部分流程图如图4所示。如果馈电系统被设置为总开关，那么断路器在合闸后，软件将进入漏电故障判断循环。软件监测采样电阻值，如果采样电阻值小于漏电电阻阈值，进入漏电故障处理模块，否则继续监测采样电阻值。

2．4 选择性漏电保护软件实现
    如果馈电系统被设置为分开关，那么断路器在合闸后，软件将进入漏电分支故障判断循环。其相关软件流程图如图5所示。进入分支馈电合闸后，软件一直等待由高电平触发的中断模块。如果发生漏电故障，则故障支路硬件电路会产生高电平，从而触发处理器外部中断。软件进入中断后，进行零序电流幅值判断，当零序电流幅值大于标定的动作值时，认定该支路发生漏电故障，进入漏电故障处理模块；否则，跳出中断重新等待外部中断。

3 抗干扰措施
    煤矿井下环境恶劣、粉尘大、湿度高；同时电网中的大功率负载会产生较强的电磁干扰。这些都要求井下漏电保护装置必须具有很强的抗干扰能力。所以设计的抗干扰措施从硬件和软件两部分考虑。
3．1 硬件抗干扰
    硬件抗干扰措施有以下3个方面：(1)关键电路加入滤波器。工频电网中的非线性元件会产生谐波，谐波进入电网会影响其他电器的正常运行。在附加直流源检测中，可以在三相电抗器的中性点加入双T滤波器滤除50 Hz工频信号，再加入二阶20 Hz低通滤波器，可滤除高次谐波。(2)系统电源采用开关电源。开关电源具有输入电压范围大，输出电压稳定、抗干扰能力强等特点，能够保证在电压波动较大的情况下，使保护设备正常运行。各路电源通过独立变压器输出，保证每路电源相互独立，互不干扰。(3)采用浮地接地。系统内部的数字部分电路和模拟部分电路的信息传递如果是I／O量，用数字光耦进行隔离；如果是模拟信号，用线性光耦进行隔离。
3．2 软件抗干扰
    软件抗干扰措施有以下3个方面：(1)采用定时器定时刷新屏幕程序，可以有效解决程序花屏的问题。(2)采用软件消抖措施，当按键操作中有意外抖动发生时，采用延时再判断的方法避免误动作，保证人机对话的可靠运行。(3)应用数字滤波技术，采用中值滤波和程序判断滤波。有效地消除随机干扰，对于明显超出正常取值范围的数据予以剔除，从而提高采样的可信度。

4 试验及应用
    样机接入660 V三相模拟电网中，用0．47μF电容模拟电网总开关处对地电容，用0．22μF电容模拟电网分开关处对地电容，由相线对地间接普通电阻模拟漏电电阻，试验结果表明，样机动作迅速准确，分开关选择性良好，未出现误动和拒动现象，试验数据如表1所示。

5 结束语
    提出的基于附加直流源的漏电保护和基于零序功率方向的漏电保护装置，不仅有稳定的漏电动作值，而且能实现纵向和横向的漏电保护。保护动作快是其主要特色：纵向<65 ms的保护延迟，对多个开关的级联，提供了保证；横向<30 ms的保护时间，有效防止上级开关误跳，同时功率方向的判断，也杜绝了同级开关间的误动作。该系统各项数据满足《中华人民共和国煤炭行业标准》中的《矿用隔爆型低压交流真空馈电开关》的相关漏电标准。目前该保护装置正在井下煤矿变电站试用，实践证明该系统完全能满足煤矿工业的生产要求。