選擇性漏電保護是保證煤礦井下安全供電的3大保護(過流保護、漏電保護和保護接地)之一，是防止人身觸電的重要保護措施[1] 。
本文在現(xiàn)有選擇性漏電保護原理[3]的基礎(chǔ)上，針對兩分支電網(wǎng)單相漏電的情況，從理論上對數(shù)學模型進行了進一步的分析，并介紹了以計算機為核心的簡單實施方案。
我國井下低壓電網(wǎng)的中性點全部為不接地方式，選擇性漏電保護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實現(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]，而在有消弧線圈補償?shù)碾娋W(wǎng)中，這些特征已不復存在，流過各支路零序互感器的電流隨補償情況的不同和電網(wǎng)相對長度的變化而變化。所以，當引入消弧線圈后，這兩種類型的保護將失去選擇性而不能正常工作。目前選擇性漏電保護在我國井下電網(wǎng)的使用中誤動、拒動現(xiàn)象時有發(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的原理
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
自然直流選擇性漏電保護原理基于井下保護接地網(wǎng)絡，直流檢測源為由3個二極管組成一個半波整流橋，如圖1，將電網(wǎng)中每個分支的地線用一個取樣電阻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。
1.2 保護原理分析
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是對稱的，波形如圖2，各相對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所示的脈動的直流電壓，各分支檢測電流大致相同。
當?shù)谝环种相漏電時，此時第一分支A相對地絕緣電阻值為r1a與Rr并聯(lián)，破壞了假象負載的對稱性，各分支檢測信號發(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 時段，即ωt=0～2π/3時，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狀態(tài);在T/3～2T/3 時段，即ωt= 2π/3～4π/3時段，D2導通，D1、D3處于截止狀態(tài);在2T/3～T時段，即ωt =4π/3～2π時段，D3導通，D1、D2處于截止狀態(tài)。因此，這三個二極管依次處于導通和截止狀態(tài)，取樣電阻與總接地網(wǎng)及絕緣電阻在這三個時段分別構(gòu)成不同的檢測回路。根據(jù)各時段構(gòu)成的不同回路，分別求出各檢測信號與絕緣電阻和漏電阻間的數(shù)學關(guān)系式。并據(jù)此畫出各檢測電流波形圖，如圖4為漏電狀況下一個周期的各檢測電流的波形，即一個周期被分為三個時段?？倷z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，當電網(wǎng)基本參數(shù)不變， 第一分支A 相漏電時， 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的對應關(guān)系如圖5示。隨著絕緣電阻值的降低總檢測信號IR3不斷增加，當其達到設(shè)計動作值時， 通過計算機發(fā)出控制信號使漏電保護裝置動作，自動饋電開關(guān)跳閘，可切除漏電故障，構(gòu)成電網(wǎng)的總漏電保護。對于分支線路，電網(wǎng)絕緣水平正常時，檢測電阻Rj1、Rj2上的直流電流較小，當某一支路絕緣水平下降到動作值時，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，從而準確地區(qū)分故障支路和非故障支路，并由計算機發(fā)出控制信號將故障切除。
2 計算機控制的實現(xiàn)
2.1 信號的檢測
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)換后送入計算機，計算機通過對這些數(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，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后切斷相應裝置，同時發(fā)出報警信號。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個基本部分組成。
2.2 控制軟件設(shè)計
用DELPHI語言來讀接口數(shù)據(jù)，并進行處理實施控制功能，根據(jù)采集到的各檢測信號，與整定值比較并判斷具體漏電的分支。一旦漏電立即發(fā)出控制信號切斷漏電分支并報警，同時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)計的系統(tǒng)在實驗室低壓模擬電網(wǎng)進行了單相漏電試驗，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)上再做進一步的開發(fā)工作，將會具有很大的實用價值。