附加直流电源检测法在漏电保护中的应用.pdf

第 2期 2 0 1 0年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 2 Fe b．2 0 1 0 文章编 号 1 6 7 1 --2 5 1 X 2 0 1 O 0 2 --0 0 6 2 --0 3 附加直流电源检测法在漏电保护中的应用 王德 胜 淮南矿业集团谢一矿工程管理部， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘 要 分析 了漏 电保 护 的要 求和 漏 电故 障 时两种 情 况 下人 体 触 电 电流值 I 和 电 阻 r之 间的 关 系； 介 绍 了利 用 附加 直流 电源检 测 法进 行 漏电保护 及 漏电保 护动作值 的整定 方法 ； 设 计 了漏 电信 号取样 变换 电路 ， 并 采用相应的数 学工具得到 了该电路的数学关系式， 为漏电保护提供 了依据。 关 键词 煤矿 ； 供 电 系统 ；漏 电保 护 ；附加 直流 电源 ；漏 电闭锁 中图分 类号 T D 6 1 1 文献标 识码 A 0 引言 2 漏 电电流 和漏 电电 阻的关 系 煤 矿安 全规 程 规 定 ， 井 下供 电系 统 中必 须 具 有三大保护 ， 即过流保护、 漏 电保护和接地保护， 其 中漏电保护是最重要的保护。 电 网在正 常 电压 的作用 下 ， 有 电 流经 电网对 地 绝缘电阻和分布电容直接流入大地 ， 该电流即被称 为 电网对地 的漏 电 电流 ， 简称 漏 电。现 在 煤矿 漏 电 保护主要采取零序 电流检测方式和附加直流电源检 测方式。零序电流检测方式在供电出现绝缘阻抗对 称下降时不会动作， 使漏 电故障长期存在 ， 给供电系 统带来一定的危险性。附加直流电源检测方法电路 设计简单 ， 不仅能反映单相 、 双相 、 三相漏电以及人 身触电， 而且能反映三相绝缘电阻均匀降低 ， 其动作 值只与总绝缘 电阻有关。为此 ，笔者研究并实施 了 利用附加直流电源检测法进行漏电保护的方法 。 1 漏 电保 护应满 足 的要求 1 具有 漏 电闭锁 电 阻值低 于 1 1 4 0 V 为 2 0 k Q、 6 6 0 V为 1 1 k Q阻止合闸 和漏电跳闸 电阻 值低于 1 4 0 V为 2 O k f 、 6 6 0 V为 l l k Q时动作 双 重功 能 ， 并 时刻监 视 电 网 的绝 缘 状 态 ； 2 快 速 性 ； 3 可靠性 ； 4 选择性 ； 5 当发生短路引起 的接 地故障时， 可做短路保护的后备保护 。 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 7 作者简介 王德胜 1 9 8 2 一 ， 男， 硕 士， 工 程师 ， 2 0 0 7年毕 业 于 安徽理工大学控制理论 与控制工程专业 ， 现在淮南矿业集 团谢一矿 从事煤矿机电管理与机 电安装管理工作， 已发表文章 4篇。E ma i l d e t i o n 一1 9 8 2 s i n a ． c o rn 供电系统的漏电故障根据特征分忽略电网对地 电容和考虑电网对地 电容 2种情况。为了更好地 了 解漏 电时 电流和 电阻之 间的关 系， 下 面分别 对该 2种情况进行详 细的分析 ， 为附加直流 电源检测法 提供相关的理论基础。 1 忽 略 电网对地 电容 忽略电网对地电容时的触电电路如图 1 所示 。 图 i 怂 IIl胥电 埘 地 黾 谷 H 寸明 甩虫甩 电 跆 图 根据基尔霍夫电流定律 j ，Aj j i 一 0 ， D U ’ U ‘ 。一 0 即 T A rB 一 0 rc h 得 一 一 有效 值 I h一 3 Up 3 U1 1 式中 U 为相电压， V； U 为线 电压 ， V； r 为 电 网每相 对地绝 缘 申． 阳 。 Q； R 为 人体 电阳 ， 取 1 k Q 2 0 1 0年第 2期 王德胜 附加直流电源检测法在漏 电保护中的应用 6 3 2 考虑电网对地电容 考虑电网对 地 电容时 的人 体触 电电路如 图 2 所 示 。 图 2考 虑 电 网对 地 电 容 时 的 人 体 触 电 电路 图 假设电网对地三相绝缘电阻为 r A T B r c r ， 对地电容 C A C B C c C ， 则 A电网每相零序 电抗 Z O 等于对 地绝缘 电阻 r和对地 电容 容抗并联 C， 即 7 1 一j X r 一二[_ 一 一 j X。。r r 式 中 x 一 1 ， 为 电 网 一 相 对 地 的 容 抗 ， Q 。 将 Z o 代入式 1 中的 r ， 可得到人体触 电电流 j 一 3 U． 有效值 ， 一 一 2 R ／ r r 6 R h 对 式 2 分析 可得 当 C很小时， 即 r c U C 1 ， 式 2 变为 L ， P “ 一 ／ r2 6 rR h 一 3 UP 一 3 U 、 3 Rh r 3 同样式 3 ， 当 U 和 R 为一定值 时， 则 r 值越 大 ， 人体触电电流越小 。 当 c很大时， 即 ∞ 。 c ， 式 3 可变为 I h UP ≈ 一 R ／ 1 1 6 R h ／ r - ／ 9 叫 c 。 R 4 当 U 、 R 、 C一定时 ， r增大 ， 人体触 电电流 n 也就 增大 。 3 附加 直流 电源检 测保 护原 理及 动作 值整 定要 求 通过上面对漏电时的 2种情况分析 ， 得 出了人 体触 电电流 I 和 r的关 系。附加直流 电源检测法 充分利用两者之间的关 系， 可以很好地检测任何绝 缘电阻之间的变化。下面重点分析附加直流电源检 测保 护原 理 。 1 保护原理 附加直流 电源检测保护原理 在三相 电网与大 地之间增加一个独立 电源信号 ， 直接检测三相对地 的电流大小 ， 通过检测电流 的大小就可检测出电网 对地绝缘 电阻。保护原理如图 3所示。 图 3 附加直流 电源检测保护原 理图 图 3中， 在三相电网上通过接人三相 电抗器加 入一个直流电源 ， 电容 C o 、 C 、 C 、 C c就具有通交隔 直作用， 则 电流 的流向 电源的正极流出一电网对 地三相绝缘 电阻一三相 电网一三相 电抗器 S K一零 序电抗器 L K一欧姆表一负极 。电流为 J 一而 U 式中 为附加直流电源的电压 ， V； Rr 为电位 器阻值， n； r ∑为 r A 、 r B 、 r c并联阻值 ， Q。 r 为动值 ① 当电网任意一相绝缘电阻降低时 假设为 r ， 其余两相不变 趋于。 。 ， 则 r 一r B r ； ② 若电网其它两相绝缘 电阻 同时降低且阻值为 r e r 。 一r ， 而 另一相 为正 常 趋 于。 。 ， 则 r 一r ／ 2 ； ③ 若电网三相绝缘 电阻同时降低为 r r B r c r ， 则 r z r ／ 3 。 由于附加直流 电源 电压 u为定值 ， 当电网对地 绝缘电阻下降到一定程度 即发生漏电现象时， 回路 的电流值 j 就会增大， 当达到动作 电流值时， 切断主 回路电源， 实现漏电保护。 2 动作值整定 煤矿安全规程 规定 人身安全电流为3 0 mA。 由式 1 得流经人体的电流 h一 3 Up 5 6 4 工矿 自动化 2 0 1 0年 2月 当电网电压为 6 6 0 V， 电流 以 3 0 mA计算， 则 电网任意一相对地最小电阻值 l k n一 _3 Up ～ 3 ／ h 3 57 “ mi nl k n 一 一～ h 』h 由于三相 电 网的漏 电 电阻 为并 联 ， 则 漏 电 电 阻 的动作电阻 Rd l k n一 t ra in一 1 1 ． 7 0 取 1 1 k Q作为漏 电动作值。漏电闭锁动作值取 动作值的 2 倍 ， 即 2 2 k Q。 同理， 电压为 1 1 4 o V时， 漏电动作值为2 0 k 0， 漏 电闭锁值为 4 0 k Q。 4 漏 电信 号取样变 换 电路 通过上面附加直流电源检测保护原理分析得到 了在不同电压等级下漏电的动作值 。为了更好地检 测供电系统的绝缘 电阻 ， 设计 了漏 电信号取样变换 电路 ， 如图 4 所示。 图 4 漏电信号取样变换 电路 图 该 电路的 L D端 即电流信号 的取样端 接人 图 3 中 L K端 即电抗 器 的取样 端 ， 1 2 V 电源 端接 人大地 ， 这样该漏电信号取样 电路就取代了图 3中 的电 流表 ， 通 过低 噪 声 高 速精 密 运 算 放 大器 和 L OC 1 l l P线性光耦等相应电子元件的处理后 ， 直接 送入单片机中 A／ D采样端 口进行 A／ D采样 ， 在单 片机 内部程序通过电子电路的数学模型和附加直流 电源检测法中人体触 电电流 J 和 r的关 系得 到绝 缘电阻值。当电阻值达到相应电压等级的绝缘动作 值时， 即切断主回路电源， 实现漏电保护 。 5数学模 型 为了更好地得到 图 4电路的数学模型， 笔者直 接对图 4中的电路进行实验 ， 得到 了在不同绝缘电 阻值下 的 A／ D采样值 ， 将这些数据输入 Ma p l e 6 ． 0 数学软件。在 Ma p l e 6 ． 0数学软件下 ， 通过相应的 逼近、 模拟等相关的数学方法 ， 得到了图 5中的 2条 曲线 ， 一条为一阶， 一条为二阶。通过函数解析后得 到 2 条 曲线的解析式， 即图 4中的数学模型 一 阶 一1 6 1 1 ． 4 e x p 一x ／ 2 4 ． 3 2 9 0 ． 9 二 阶 一1 0 2 5 ． 9 e x p 一x ／ 4 4 ． 7 9 3 7 e x p -x ／ 1 0 ． 4 l 7 4 ． 7 图 5 漏 电变换 电路 函数关系 图 这样在单片机内根据该数学模型编写相应的程 序， 可得到电网对地绝缘 电阻值 。该 电阻值与动作 值进行比较， 就可确定是否进行漏 电保护。 6 结语 本文针对漏 电故障时出现的 2种情况分别进行 了详细的分析， 得 出了人体触电电流值 和电阻 r 之间的关系； 详细地介绍了附加直流电源检测保护 原理 ， 通过人体触 电电流值 J 和电阻 r之间的关系 得 出了在不 同 电压情况 下 的漏 电动作值 和漏 电闭锁 值。在该基础上设计了一种取代附加直流电源检测 法中电流表的电路， 该电路可 以通过单 片机进行采 样， 通过该电路的数学模型得到绝缘电阻值 ， 并将漏 电动作值和漏电闭锁值进行 比较 ， 从而得到了漏 电 保护的依据 。 参考文献 E 1 ] 胡天禄． 矿井 电网 的 漏 电保 护 [ M] ． 北 京 煤 炭工 业 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 刘 延绪 ． 煤矿 井 下 供 电 的 三 大 保 护 E M] ． 北 京 煤 炭 工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 国家煤 矿安 全监 察局． 煤 矿安 全 规程 I S ] ． 北京 煤炭 工业出版社 ， 2 0 0 6 ． E 4 ] 杜伟石 ． 我 国煤 矿 井 下供 电 的现 状 与发 展 E l i ． 煤 矿 机电 ， 1 9 9 7 6 ． E s ] 王彦文 ， 王念彬 ， 杨秀强 ， 等． 基于零序功率方 向的选择 性漏电保护系统[ J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 6 1 ．