選擇性漏電保護(hù)是保證煤礦井下安全供電的3大保護(hù)(過流保護(hù)、漏電保護(hù)和保護(hù)接地)之一，是防止人身觸電的重要保護(hù)措施[1] 。
本文在現(xiàn)有選擇性漏電保護(hù)原理[3]的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩分支電網(wǎng)單相漏電的情況，從理論上對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，并介紹了以計(jì)算機(jī)為核心的簡單實(shí)施方案。
我國井下低壓電網(wǎng)的中性點(diǎn)全部為不接地方式，選擇性漏電保護(hù)裝置主要采用零序電流型、零序功率方向型原理，零序電流型是利用故障支路零序電流大于任一支路自身的零序電流的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)選擇性。它需要一定量的零序電流才能正確選線;零序功率方向型是通過比較各支路Io與Uo相位選出故障支路并切斷該支路[2]，而在有消弧線圈補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)中，這些特征已不復(fù)存在，流過各支路零序互感器的電流隨補(bǔ)償情況的不同和電網(wǎng)相對(duì)長度的變化而變化。所以，當(dāng)引入消弧線圈后，這兩種類型的保護(hù)將失去選擇性而不能正常工作。目前選擇性漏電保護(hù)在我國井下電網(wǎng)的使用中誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此井下電網(wǎng)漏電故障的正確檢測成為礦井生產(chǎn)現(xiàn)場急需解決的難題。
1 自然直流選擇性漏電保護(hù)的原理
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
自然直流選擇性漏電保護(hù)原理基于井下保護(hù)接地網(wǎng)絡(luò)，直流檢測源為由3個(gè)二極管組成一個(gè)半波整流橋，如圖1，將電網(wǎng)中每個(gè)分支的地線用一個(gè)取樣電阻R與電網(wǎng)的總接地網(wǎng)聯(lián)在一起，檢測電流通過接地網(wǎng)、取樣電阻及電網(wǎng)絕緣電阻流回電網(wǎng)，構(gòu)成直流檢測網(wǎng)絡(luò)。
1.2 保護(hù)原理分析
為討論方便，設(shè)三相平衡電源為：
在正常情況下，電源的相電壓A、B和C是對(duì)稱的，波形如圖2，各相對(duì)地的絕緣電阻值一般也是相等的。三相電源經(jīng)半波整流后，總?cè)与娮鑂3上的電壓輸出波形是如圖3所示的脈動(dòng)的直流電壓，各分支檢測電流大致相同。
當(dāng)?shù)谝环种相漏電時(shí)，此時(shí)第一分支A相對(duì)地絕緣電阻值為r1a與Rr并聯(lián)，破壞了假象負(fù)載的對(duì)稱性，各分支檢測信號(hào)發(fā)生了不同變化。由三相電源電壓波形圖2可看出，在0～T/3 時(shí)段，即ωt=0～2π/3時(shí)，A相電壓總是高于B、C兩相，因而A相的整流二極管D1處于導(dǎo)通，B、C兩相的整流二極管D2、D3則在反向電壓作用下處于截止?fàn)顟B(tài);在T/3～2T/3 時(shí)段，即ωt= 2π/3～4π/3時(shí)段，D2導(dǎo)通，D1、D3處于截止?fàn)顟B(tài);在2T/3～T時(shí)段，即ωt =4π/3～2π時(shí)段，D3導(dǎo)通，D1、D2處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，這三個(gè)二極管依次處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，取樣電阻與總接地網(wǎng)及絕緣電阻在這三個(gè)時(shí)段分別構(gòu)成不同的檢測回路。根據(jù)各時(shí)段構(gòu)成的不同回路，分別求出各檢測信號(hào)與絕緣電阻和漏電阻間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。并據(jù)此畫出各檢測電流波形圖，如圖4為漏電狀況下一個(gè)周期的各檢測電流的波形，即一個(gè)周期被分為三個(gè)時(shí)段。總檢測電流IR3和漏電分支檢測電流IRj1較大且變化趨勢大致相同，而非漏電分支的檢測電流IRj2較小，由此可區(qū)分漏電分支。
利用諧波分析法可求得各檢測電流的有效值，當(dāng)電網(wǎng)基本參數(shù)不變， 第一分支A 相漏電時(shí)， 漏電阻與流過總檢測電阻R3的電流有效值IR3、漏電阻與流過漏電分支檢測電阻Rj1電流有效值IRj1及漏電阻與非漏電分支檢測電阻Rj2上的電流有效值IRj2的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5示。隨著絕緣電阻值的降低總檢測信號(hào)IR3不斷增加，當(dāng)其達(dá)到設(shè)計(jì)動(dòng)作值時(shí)， 通過計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)使漏電保護(hù)裝置動(dòng)作，自動(dòng)饋電開關(guān)跳閘，可切除漏電故障，構(gòu)成電網(wǎng)的總漏電保護(hù)。對(duì)于分支線路，電網(wǎng)絕緣水平正常時(shí)，檢測電阻Rj1、Rj2上的直流電流較小，當(dāng)某一支路絕緣水平下降到動(dòng)作值時(shí)，故障支路上的檢測電流迅速增大，而非故障支路上的電流基本保持不變，從而準(zhǔn)確地區(qū)分故障支路和非故障支路，并由計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)將故障切除。
2 計(jì)算機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)
2.1 信號(hào)的檢測
通過有效值測量電路，獲得各檢測電流的有效值，并將其放大變換成-5～+5V的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的采集處理，即可判斷電網(wǎng)的漏電狀況。若有漏電即發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后切斷相應(yīng)裝置，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。硬件構(gòu)成如圖6。
有效值的測量主要由輸入放大器、全波整流器、有效值核心，輸出放大器和偏置電路等5個(gè)基本部分組成。
2.2 控制軟件設(shè)計(jì)
用DELPHI語言來讀接口數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理實(shí)施控制功能，根據(jù)采集到的各檢測信號(hào)，與整定值比較并判斷具體漏電的分支。一旦漏電立即發(fā)出控制信號(hào)切斷漏電分支并報(bào)警，同時(shí)顯示漏電的具體信息。程序框圖如圖7。
3 結(jié)論
依據(jù)本原理設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室低壓模擬電網(wǎng)進(jìn)行了單相漏電試驗(yàn)，結(jié)果表明在一定誤差下該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橫向選擇性和縱向選擇性。在此基礎(chǔ)上再做進(jìn)一步的開發(fā)工作，將會(huì)具有很大的實(shí)用價(jià)值。