零序直流选择性漏电保护原理分析.pdf

2 0 0 5年4 月 第 2 0卷第 4期 电 工 技 术 学 报 T R A NS A C T I ONS O F CH I NA E L E C T R O T E C H NI CA L S OC I E T Y V o l . 2 0 A p r .N o .42 0 0 5 零序直流选择性漏电保护原理分析 袁振海’ 沈祥云’王险 峰2蔡向东3余林高4 1 .南京工业大学2 1 0 0 0 9 2 .宝钢集团上海梅山有限公司2 1 0 0 3 9 3 .中国石化扬子股份有限公司塑料厂2 1 0 0 4 8 4 ，南化集团建设公司2 1 0 0 4 4 摘要对近期提出的克服电网分布电容影响小电流接地选线的零序直流选择性保护原理作 了理论分析。按照检测整流半桥导通的不同时段，建立工频周期内三时段的正弦电路模型，用相 量法分析检测电流。并在各时段将其转换为瞬时正弦值对时间求取平均值。理论分析表明，检测 电 流选择性好，受电网电容影响小， 理论计算与实 验检测曲 线在漏电支路绝缘电阻接近动作值段 一致性程度高。 关键词零序直流选择性数学模型漏电保护 中图 分类号T M 7 1 1 , T M 7 7 3 S t u d y o f S e l e c t i v e L e a k a g e P r o t e c t i o n P r i n c i p l e B a s e d o n Z e r o S e q u e n c e D i r e c t i v e C u r r e n t Y u a n Z h e n h a i l S h e n X i a n g y u n l W a n g X i a n f e n g 2 C a i X i a n g d o n g 3 1 . N a n j i n g U n iv e r s it y o f T e c h n o l o g y N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 Y u L i n g a o Ch in a 2 . B a o s t e e l G r o u p S h a n g h a i Me i s h a n C o . , L t d N a n j i n g 2 1 0 0 3 9 C h i n a 3 . Y a n g z i P e t r o c h e mic a l C o . ,L t d o f S i n o p e c N a n j i n g 2 1 0 0 4 8 C h i n a 4 . N a n j i n g C h e mic a l I n d u s t r i a l G r o u p C o n s t r u c t i o n C o m p a n y Na n j i n g 2 1 0 0 4 4 C h i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r a n a ly s e s t h e e x i s t i n g z e r o s e q u e n c e d i r e c t i v e c u r r e n t s e l e c t i v e l e a k a g e p r o t e c t i o n p r i n c ip l e w h i c h i s t o s u r m o u n t th e e f f e c t o f d i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c e o n i t . A c c o r d in g t o t h e d if f e r e n t p e r i o d o f t i me i n th e c o n d u c t i n g s t a t e o f h a l f - wa v e r e c t if i e r b r i d g e c i r c u i t , t h e s i n u s o i d a l c i r c u i t m o d e l o f t h r e e z o n e s i s e s t a b l i s h e d i n t h e c y c l e o f f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . T h e d e t e c t e d c u r r e n t s b a s e d o n v e c t o r t e c h n i q u e i s e x p l a i n e d , a n d t h e a v e r a g e v a l u e c a n b e o b t a in e d b y t r a n s f o r m i n g t h e s e d e t e c t e d c u r r e n t s t o in s t a n t a n e o u s l y s i n u s o i d a l f o r m s . T h r o u g h t h e a f o r e m e n t io n e d t h e o r y a n a l y s i s , i t s h o w s t h a t t h e p e r f e c t s e l e c t i v i ty o f t h e d e t e c t e d c u r r e n t s a s w e l l a s t h e l e s s i n fl u e n c e o f t h e c a p a c i t a n c e o n i t a n d k e e p s h i g h c o n s i s t e n c y o f t h e i n s u l a t e d r e s i s t a n c e c l o s e t o a c t i o n p o i n t o n t h e l e a k a g e b r a n c h c o mp a r e d t h e t h e o ry c a l c u l a t i o n w i t h t h e t e s t i n g d e t e c t e d c u r v e . Ke y wo r d s Z e r o s e q u e n c e d i r e c t iv e c u r r e n t , s e l e c t i v it y , ma t h mo d e l , e a r th l e a k a g e p r o t e c t i o n 1 序言 选择性漏 电保护是小电流接地电网的重要保 护。同高压电网运行方式一样，矿井井下电网全部 为中性点不接地方式，选择性漏电保护主要采用零 序电流保护原理，它需要一定量的零序电流才能正 确选线[[ 1 ,2 , 6 ,7 ] ， 因 而易受电网对地分布电容影响， 使 用中误动、拒动现象时有发生，为提高漏电保护的 可靠性，电网需要附加电容。从而，在对电网实行 保护的同时，电网漏电故障电流和人体触电危险也 将随之增加。针对这一问题，近期正在研究零序直 流选择性漏电 保护原理[7 ] ，利用检测电 流直流分量 减少电网分布电容影响，确定漏电电阻与检测电流 之间的关系。 零序直流漏电保护可以监察电网三相绝缘电阻 的 对称降低[[ 1 1 ，并且近期已 做了将其用于电缆供电 电网故障选线的实验[8 ] 。由此引起了 对该系统的关 注，开始了对其监察电网三相绝缘电阻非对称降低 及接地故障的数学建模[[ 1 0 ] 。本文运用电网理论、 非正 收 稿 日 期 2 0 0 4 - 0 4 - 3 0改稿 日期 2 0 0 5 - 0 3 - 0 1 万方数据 第 2 0卷第 4期衰振海等零序直流选择性漏电保护原理分析 弦周 期信号工频周 期三时段正 弦电 路 分析方法[[9 1 ， 并 参考有关文献，对检测电流与漏阻之间的关系，建 立了以电网电压、绝缘电阻、检测源电路参数为参 变量的函数关系式，从理论上探讨了这一保护原理 的选择性，在电网安全保护要求范围内，其计算值 与实验数据吻合。 文献[[ 3 , 4 , 5 , 1 0 ] 表明， 零序直流选线使电网中具 有了人为的、可控的、有规律的信号，通过对零序 直流电缆故障选线这一特殊系统进行的深入研究， 揭示了对一般架空线路供电电网具有普遍意义的新 规律。作者在低压电网所做的初步理论与实验研究 证明了这一可能性。然而，这并非零序直流电缆故 障选线系统的简单移植照搬，而是必须解决零序直 流选线系统在架空线路供电电网中面临的新问题， 尤其是电网的分布电容对零序直流接地故障选线产 生的干扰。所不同的是，它的影响问题将不再像零 序电流保护方式一样、成为一个难以逾越的障碍， 而是被引入到零序直流选线系统相互联系、互相制 约的关系中，通过调整牵制电网分布电容影响的系 统参数，对其加以限制和利用。为解决二十几年来 一直 困扰电网故障选线的 问题提供新的参考 。 2 零序直流选择性漏电保护原理分析 2 . 1 电网电 缆漏电 保护系统图 图 1由 3只二极管分别串接一只限流电阻 R , 组成半波整流桥与限流电阻 R o 、取样电阻 R 串联 接至地 令 R 2 R o R 3 。电 网各个分支路的接地线 用一个取样电阻R. R ; 2 选R i , R 1 2 与电网接地网 相联。检测电流通过接地网、取样电阻及电网绝缘 电阻流回电网构成直流检测网络，检测电流是经二 极管整流的直流信号，所以可忽略电网电容对检测 电流的影响。c a 表示电网对地分布电容。电网三相 绝缘电阻值一般较高、 且对称， 即 ， 。 、 。 ; 。 ; ; ， r a t r 6 2 r . 2 - r ，与之相对应的各检测电流值很小。 徜若一相漏电，漏电点所在支路的该相对地绝缘电 阻等效为电网正常运行时的绝缘电阻 r 与漏电电阻 R , 的并联值。随着绝缘下降，故障支路的直流检测 电压信号增大，而非故障支路的直流检测信号基本 保持不变，使漏电监测装置能够准确区分故障支路 和非故障支路。如果需要，还可以通过断路器将故 障切除[[3 , 8 1 图1 中，电源相电压 U A I U B 和 U C 是对称的， 即U A 十 U B U C O 。 各相对地绝缘电阻一 般相 等。因 而，变压器中性点对地电压为零，即U o 0 o 一有漏电故障，U o , } O .第一分支路各相对地 绝缘电阻电流分别为 A P B , I C ，流经检测电阻R ; , 的电流为，I l i 第二 分支路的 各相应电流为I A , I e . I 1c ， 经检测电 阻凡 的电流为，I J 2 0 三相电压计时起点[[5 1选在u A U C I U B - u b m 瞬时， 半波整流桥的二极管导通顺序应为 V D , - - V D 2 - - V D 3 ， 检测电路取样电阻电流I ,的相量表示式只适 合于 1 / 3工频周期。在工频整个周期内，检测电流 并非正弦波，它取决于 3只二极管、4个 自然换相 点 之间的三时段正弦电 压[[5 ,9 ] 。 在 0 - 2 a / 3 时段， u A电压比 B , C 相高。因此，二极管 V D 导通， V D 2 V D 3 反向截止;同理， 2 3 c / 3 -4 7r / 3 时段 u B 电压比A, C相高， V D 2 导通， V D, V D 3 截止; 4 n / 3 - 27x 时段u C 电压高，V D 3 导通，V D , V D 2 截1 1 几 。 在V D , - V D 导通期内， 按照选定的 计时 起点 1 5 1 ， 三相电 压瞬时值表达式为 } [ u C 一 价 动s i n c o t 3 0 0 N F 2 U s in w ， 一 9 0 0 护 及 s i n w t 1 5 0 0 0 提c o t 2 7x 1 3 2 7x / 3 提w t -4 7 0 3 4 7x / 3 蕊 o t - 2 7 t 1 式 1 表明，工频周期内3 个时段的电压在 其各自时段内可以表示成相量形式。 2 . 2 系统各支路与检测源电路的电压电流关系 据 K V L列写图 1 第一漏电分支路的电压方程， 得 图 1 电网电缆漏电保护系统图 F ig . l P o we r g r i d c a b l e e le c t r i c l e a k a g e p r o t e c t io n s y s t e m U A U O , A a l / / R , I , I R il U B U , I B r b l I j 1 R j 1 U C U O I C c 1 I j , R j l 2 万方数据 1 04电工技术学报2 0 0 5年 4月 按照式 2 可推知，各相绝缘电阻电流 U A U , 一 I l R h r a t 1 1 R , U B U , 一 I 1 1 R 1 1 r b t U c U , 一 I 1 1 R 1 l r c i 假设第二支路无漏电情况、且认为 二r e 2 r b 2 r . 2 ，将其代入式 5 后，经推导得到第二支路漏 电检测 电流 3 I 12 一 3 R 3 U, , 2 R d 1 1 然后，据 K C L列写第一分支路N, 点的电流方程 I , Z A I H l c 4 同理，可以得到第二分支路 N 2 点的电流方程 I i 2- U A 竺上I 2 R 12 r a t U B 1竺7 j2 R j2 r b 2 U c U o 一 I 1 2 R 1 2 r } 2 5 与爪场 ‘.1.esll、 序 在图 1 检测源电路中，按照 V D, -V D 导通顺 列写三个时段电压方程 以上各式中，U o 为同一待求的未知电压， 与一 般交流电网的零序电压有所不同， 为求解未知电压 U o ，需要根据 K C L列写地点N 点的电流方程 I 1 毛 1 毛 2 0 1 2 式 1 2 中 ，入 为 取 样 电 阻电 流 ， 只 能 在1 / 3 工 频 周期内表示成相量形式， 如公式 7 一式 9 所示。因 此 ， 公 式 1 2 成 立 的 条 件 应 是 几和 毛 2 也 在1 /3 周 期 内 同 取 相 量 式， 且 与 检 测电 流I l l . “ I 1 3 保 持 在同 一 时段或同一 电角变化范 围内。因而 ，有 u A U u I 7 1 R I R 2 0 Sw t 2 n / 3 u B U a I 1 2 R 1 R 2 2 n / 3 毛m t 4 n 1 3 u c U , I 7 3 R 7 R 2 4 n 1 3 w t 2 n I i i 0 蕊m t 2 n 1 3 2 n / 3 续 co t 4 n / 3 4 1t / 3 - co t 2 n 1 3 推导式 6 可得，在工频周期三个时段内， 测电流I表示式应分别为 1 1 2 1 U A U o R 7 R 2 I i 2I i2 2 1 4 I 7 1 0 撼 i t t 2 n / 3 I i 2 3 0 tst 成2 n / 3 2 n / 3 毛w t - 4 7c 1 3 4 n / 3 m t 2 rz 6检789 I l 2 U B U, R , R 2 2 n / 3 o t 4 n / 3 I 1 3 U , U , R I R 2 4 n / 3 蕊 co t 2 n 由上一节的讨论和式 1 0 . 1 1 容易看出， 式 1 3 、式 1 4 的相量式成立。 据此，由式 1 2 可以 得到工频周期内三个时段 地点N 3 的节点电流方程。 在0 ro t 2 n / 3 时段内，有 由图 1 可见，一只二极管导通期间，检测源电 路等效于将 R , R 2 电阻并联至二极管正极所接 的电源端线 P , 或 P 2 P 3 对地之间，图1 所示电 网与交 流电网等效。 因此， 在1 / 3 工频 周期内， U A . U B , u c .。 。 瞬时值为正弦函数，可以表示成其相量 形式U A . U B . U C , U o o 3 各支路检测电流的数学模型 假设第一支路A相漏电、 并令其漏阻为R 将式 3 代入式 4 后，经推导，得到第一支路 漏 电检测 电流 I , I i i I I 7 2 c 0 1 5 经推导 ，得 凡-ral 一 U A U n i R , R 7 l 3 R 7 l 3 R 1 一1 R , R , 1 6 3 r 3 R j 2 R r R 7i 3 R 7l 才 1 R , R 2 一“ 十 在 2 3 c / 3 - m t - 4 7 c / 3时段内，有 I i 2 I 7 i 2 1 72 2 0 因而 ，得 I l t _‘ _ R _ 、 U . U1 3 -1 } ”“ l r少 1 7 R R , R 71 3 R 7l 节 1 0 万方数据 第2 0 卷第 4期 袁振海等零序直流选择性漏电保护原理分析 U 0 2 一 一 U A 一 U 0 R , R j, 3R j, 冬R , R 2 3 r 3 R j 2 R3 1 1 [ r2 . d 2 U sin c0 1 3 0 0 、 一 1 1 二}1 a u一 x 1 5 2 1, L 0 R } Itj, 3 R j ,R } / r 2 3c R , R j, 3R j ,,} / r 1 8 R , R j , 3 R j , R , 1 R , R 2 f ” u o,dt9 嘿 3u 02d t9 此 3一 ‘ “ ， 1 .1 6 9 “ 3 R1 .1 6 9 U 1 在 4 a / 3 - c o t - 2 7 c 时段内， 方程 应为 1 1 3 1 j 7 3 1 j2 3 解得 地点N 的节点电流之 1 R , R 2 0 1 9 一U AU c R , R j, 3R j, 冬R , R 2 x 卫 - 十 一3兰 1 匕 - r 3R .R R } R j, 3R j,今R , R 2 R- R , R j, 3 R j, . 节 2 2 U 0 3 2 0 同理，第二分支路直流检测电流应为 3 r 3 R j 2 3 R 1 R } j i r 1 R , R 2 1 j 牛 znf ii2d 。 一弃r2 n a d e 3 1 i 2 r 式 1 6 、式 1 8 、式 2 0 表明，在工频周 期的 三个时 段内，零序电压 U O I , U 0 2 , U 0 。 分别由 同时段的三相电压相量 U A , U B , U C 表示。因而， 零序电压 U B , . U 0 2 , U u 相量形式成立，其瞬时值 在 1 / 3工频周期内，可以表示成正弦函数。由此可 知 3 . r 2 n / 3 r 4 u / 3 r 2 n 二一 I u,d Ou， d H u, d O 2 7 [ 3 R ,2 r u ” ’J 2 N 3 0 J 4 n / 3 0 1 . 1 6 9 U 3 r 3 R ,2 3 生 1 R 0 - m t - 2 7 c/ 3 2 3 c / 3 蕊c o t - 4 3 c/ 3 4 1t / 3 〔 o t 蕊2 7 [ R r R ii 3 R il 节 1 3 1 R , R 2 2 1 2 3 010203 UUU l -一 0 赵 式 2 1 中，各时段零序电压瞬时值为正弦函 数 。 将式 1 6 、 式 1 8 、 式 2 0 分别代入式 1 3 和式 1 4 可以得到工频周期三时段的漏电支路检 测电流相量式，式中包含的三相电压相量与瞬时正 弦函数之间的关系，参照式 〔 1 在不同时段取值。 然后，把式 1 3 和式 1 4 的电流相量式转换成 瞬时值表示，即可得到支路检测电流的瞬时值表示 式 。 在 工 频 周 期内 ， 求 取 漏电 支 路 检 测电 流ii 、 对电 角的积分，便可以得到漏电支路的直流检测电流， U P R , R 2 r 3 R i c 以上两式中，U为电网相电压有效值。 为研究两条检测支路电流随漏阻 R ， 的变化趋 势，求取极限 1 而 R r lmI . 3 二. 1 6 9 b 匕一一- 2 4 2 R , R 2 r / 3 R ,, 一上﹂ m和 卜凡 然后，求得 1 . 1 6 9 U [ r 6 R j , r 3 R j , 1 x R , R 2 R j , 2 5 恕 limR, - I j2 一 一 1 .1 6 9 U 一 一 一 可R , R 2 2 R , R 2 r / 3 R j2 兀 ， 六 f 2o“ ij,d “ 一 女 f},2,lli j , }M 嘿ii 12d 0 C ， ijl3d O 2 6 由式 2 4 可见，漏电阻 R , 趋近无穷大时，电 网处于无漏电状态，两条支路检测电流相等，而式 2 5 和式 2 6 表示，在 R , 趋近于零时，漏电支 路 的 检 测 电 流几 表 达 式 与 式 2 4 所 示 无 漏 电 时 的 情 形 相比 ， 其 分 母电 阻 减 小 [ R , R 2 r / 3 R j , 1 ; 与 之 相 比 无 漏 电 支 路 的 检 测 电 流 l i2 表 达 式 分 母 电 万方数据 电 工 技 术 学 报 2 0 0 5年 4月 阻 增 大 一 项牛 R , R , 。 3 R i 1 显然，有 l imR ,, 0 I .J，一 I CI I i2 }一 }l it 值伪， 和q z ， 将其随漏阻R , 变化的关系用实线绘制 到图 2 0 图2 可见，实线所示理论曲线与虚线所示实验 曲线在电网绝缘电阻降低到临界安全值段，一致性 好。 l imR, -,0 上式表明，随着漏电阻逐渐减小至零 即单相 接地状态 ，故障支路检测电流绝对值趋近于其最 大值，而非故障支路检测电流趋近于其最小值，故 1 i1 和 1 i2 可 以 用 来 区 分 电 网 漏 电 状 况 。 4 实验 实验按照图 1 所示电网漏电保护系统图，选择 电 网 线电 压6 6 0 V , 检 测电 路电 阻凡 。 艺 凡 1 4 . 9 k Q，电网对地绝缘电阻对称、每相对地电阻r 取值3 0 0 k Q ， 支路取样电 阻药r凡 2 3 5 2 , V D I -V D 3 为整流二极管，电网对地模拟电容取值 0 . 3 g F 。不 断 改 变 漏 电 电 阻 R , 值 ， II 12 I 和 一I j2 一 将 随 之 变 化 。 若 令 第 一 支 路 取 样 电 压 U Ri1 R i1 II i小而 第 二 支 路 取 样 电 压 、 2 R ig II i2 I ， 则 可 将 其 随 R , 变 化 的 关 系 按 照 实 验 数 据 用 虚 线 绘 于 图 2 实 验 结 果 表 明 ， I .J 和 1 1 2 具 有 漏电 检 测的 选 择 性。 6 结论 理论计算和实验结果表明，零序直流漏电保护 原理具有选择性，而且电网分布电容对漏电检测电 流几乎没有影响。按照忽略电网分布电容影响得到 的理论计算结果，与电网对地具有分布电容时所检 测到的实验结果，误差很小 约 5 。这一电网保 护原理适合于电缆故障选线。同时，给一般电网接 地故障选线提供了一种新思路、新方法。 参考文献 图 2 0 5 00 0 1 0 0 00 1 5 00, 漏电 阻 / f 2 漏电阻与检测电压间的关系图 F i g . 2 Re l a t i o n s h ip b e t w e e n l e a k a g e r e s i s t a n c e a n d d e t e c t i o n v o lt a g e I 胡天禄.矿井电网的漏 电.北京煤炭工业出版社. 1 98 7 2 唐轶.选择性漏电保护.北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 5 3 Yu a n Z h e n h a i. A s t u d y o n z e r o s e q u e n c e D C s e l e c t iv e e le c t i c l e a k a g e f a il u r e d ia g n o s i sp r o t e c t io n p r in c i p l e . I E E E . Mo n t r e a l S e c t i o n C DI C 0 4 , Na n j in g , 2 0 0 4 . 8 4 Yu a n Z h e n h a i. Ad v a n c e s i n Dy n a mi c s I n s t r u me n t a t io n a n d C o n t r o l . S in g a p o r e Wo r l d S c ie n t if ic , 2 0 0 4 5袁振海等.零序直流小电流选线系统有源二端网络 研究.电工技术学报， 2 0 0 5 , 2 0 1 3 8 -4 4 6牟龙华.基于故障分量有功功率的选择性漏电保护. 中国矿业大学学报， 2 0 0 2 ,3 1 0 3 3 8 1 -3 8 3 7 金兆民.煤矿6 k V电网消弧线圈补偿对高压选择性接 地保护装置的影响.煤矿科学技术， 1 9 9 7 2 8 唐翔等.自然直流选择性漏电保护原理分析.工矿自 动化， 2 0 0 2 0 3 2 2 -2 3 9 袁振海，胡天禄.变流技术设备的自然漏电流保护装 置. 电工技术， 2 0 0 0 0 5 1 3 1 3 一1 4 1 0沈祥云，袁振海.自然直流选择性漏 电保护的研究. T矿自动化。 2 0 0 4 0 2 1 0 -1 4 90507060504030加100 A写出翻︸聪倒 5 理论计算与实验结果的比较 为便于计算，将式 2 2 和式 2 3 的计算程 序编制出来。然后，把电网漏电实验所选电网条件 及 各 项 实 验 电 路 参 数 输 入 计 算 机 ， 计 算 所 得 I .1， 和 I j2 分 别 取 其 绝 对 值 后 与 取 样 电 阻R 1】 和R j2 相 乘 ， 便可求得第一和第二分支漏电取样电压的理论计算 作者 简介 衰振 海男 安全 保护 。 沈祥 云女 护 1 9 5 2 年生 ， 博 士 ， 硕士 生导师 。主要研 究方 向为 电网 1 9 7 0年生 ， 硕 士研究生 ， 主 要研 究方 向为电 网安全保 万方数据