保护器设计原理.pdf

重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 7 2 保护器设计原理 本章分析了井下高压电网中常见的故障有漏电、过载、短路、过欠压、双屏 蔽电缆绝缘开路、绝缘短路等故障的电气特征，并提出了相应的保护原理，对保 护器的设计提供了理论依据。 2.1 漏电保护 矿井电网大部分为电缆供电，环境恶劣故障多，电缆线路经常发生单相漏电 或单相接地故隐。煤矿井下供电网发生漏电不仅会引起人身触电，而且还可能导 致瓦斯、煤尘爆炸甚至使电气雷管提前引爆。因此，采取切实和行的漏电保护措 施对于井下安全供电意义重大。 选择性漏电保护系统是漏电保护技术的发展要求， 它可以保证只切除漏电故障线路和设备，非故障部分继续工作，减小故障停电范 围而且便于寻找漏电故障缩短漏电停电时间。目前矿井电网选择性漏电保护主要 采用零序电流漏电保护和零序功率方向型漏电保护[13]。 2.1.1 中性点不接地系统的漏电保护 传统漏电保护有功率方向型漏电保护和电流型漏电保护[14-16]。本节将在中性 点不接地系统种分析其原理。 功率方向型漏电保护是基于零序电压和零序电流以及二者之间相差检测的一 种漏电保护方法。零序电流型漏电是只检测零序电流大小的一种漏电检测方法。 ①零序概念 提到零序电压和零序电流，就要提到零序的概念。我们以中性点不接地供电 系统来说明其涵义。 ZZZ Vn . IgC . VC . VA . VB . IgB . IgA . a bc 图 2.1 中性点不接地三相电网模型 Fig.2.1 The model of 3-phase isolated neutral system 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 8 由于相间阻抗与我们讨论问题无关， 我们将三相电网的对地模型可用如图 2.1 表示。电网每相对地的阻抗可以看作集中参数电容和电阻的并联即用 Z 表示 设电网每相的对地漏电电流为 gA I、 gB I、 gC I。根据对称分量原理，将每一相 量分解为三个分量（ 0 A ， 1 A ， 2 A ） 、 0 B 、 1 B 、 2 B 和（ 0 C ， 1 C ， 2 C ） ，有      210 210 210 CCCC BBBB AAAA （2.1） 这样 1 A 、 1 B 、 1 C 组成对称三相相量, 2 A 、 2 B 、 2 C 也组成对称三相相量,但相序和前者 相反。前者是顺序分量，后者则是逆序分量。第三个分量 0 A 、 0 B 、 0 C 则是同相的、模值相 等的三个相量，仍然叫做对称的分量，称为零序分量。同理，三相电网的对地电压亦可表示 为      210 000 210 CCCC BBBB AAAA VVVV VVVV VVVV （2.2） 很明显, 零序分量 0A V、 0B V、 0C V即为中性点对地电压零序电压 0 V n V,每相电网的 对地电流分别用 gA I、 gB I、 gC I三个相量表示。根据对称分量原理，亦可分解为      210 210 210 gCgCgCgC gBgBgBgB gAgAgAgA IIII IIII IIII （2.3） 则三个相量的零序分量即零序电流 0000ggCgBgA IIII 。 显然，对于对称的三相电网，其零序电压 0 V 0 ，零序电流 0g I0。 ②零序电流型保护[17] 如果出现一相（以 C 相为例）对地漏电，如图 2.2 所示。 R Vn . VC . VA . VB . Ig1 . Ign-1 . Ign . ... 图2.2 中性点不接地多支路电网单相漏电原理图 Fig.2.2 The schematic diagram of leak electricity 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 9 设电网中共有 N 条支路， C 相第 N 条支路对地漏电， gi I表示第 i 条支路电网 对地的零序电流， i Z 表示第 i 条支路电网各相的对地阻抗， 规定电网对地的方向 为正方向。Z 表示总电网各相对地的阻抗。通过计算可以得到非故障支路的零序 电流 3 i n gi Z V I （2.4） 故障支路的零序电流为 ∑ − − −−−− 1 1 121 11 3 n i n nnggggign ZZ VIIIIIΛ （2.5） 即故障支路零序电流 gn I 为其余各非故障支路零序电流 gi I 之和。中性点不接 地的放射式电网中如果某一支路发生了不对称漏电故障或人身触电事故则所有的 支路都将有零序电流主要是电容电流流过，且流过故障支路的零序电流是各非 故障支路零序电流之和。利用装设在各支路首端的零序电流互感器来反应各支路 零序电流的大小可以作到有选择性的漏电保护。这就是利用零序电流幅值的保护 原理。 零序电流型漏电保护原理虽具有一定的选择性，但也有缺陷。在含有干线式 和放射式的混合式供电单元中，若较长的干线发生略小于整定值的漏电。而其它 短支路的对地电容又远小于该干线时。则实际流过故障支路零序电流互感器的零 序电流就较小，而只利用零序电流幅值来判定故障支路就存在参数设定的困难。 为此，引入了功率方向型漏电保护。 ③功率方向型漏电保护[18-19] 根据对称分量原理可以计算出图 2.2 中零序电压和 N 的对地电压相等， 即有 no VV （2.6） 在高压电网中由于电缆对地绝缘电阻比较大， 电网对地阻抗主要表现为容抗。 由式 2.4 分析知，非故障支路零序电流超前零序电压接近 90；由式 2.5 分析知， 故障之路零序电流则滞后零序电压接近 90。 功率方向型漏电检测的相位按下述要求 故障支路零序电压超前零序电流 0～180，非故障支路零序电压滞后零序电 流 0～180。 JB8739-1998 就是按照这个原则来检测的。 根据此原则可以判定发生漏电故障（如人身触电故障）时的故障支路和非故 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 10 障支路，从而有选择地切除故障支路的电源，这就是零序功率方向型漏电保护。 2.1.2 中性点接有消弧线圈的漏电保护 R Vn VC . VA . VB . Ig1 . Ign-1 . Ign . ... Sk L 图 2.3 带消弧线圈三相电网对地模型 Fig.2.3 the model of neutral point to connect with the petersen coil 理论分析知， 人身触电电流与绝缘电阻和分布电容有关,提高电缆对地绝缘电 阻值就可以减小触电电流值。 事实上,在电网供电长度较长时,分布电容是绝对不能 忽视的。当 C 很大时,这时电阻增大反而造成人身触电电流增大,因为此时分布电 容电流成分已经成为人身触电电流的主要因素。 因此,在现实情况下,单纯提高绝缘 电阻来减少人身触电电流是做不到的。分布电容的影响是问题的关键。目前,补偿 中性点不接地供电电网对地分布电容的最有效措施就是在漏电回路中接入电感元 件,即在电网对地之间接入一个由三相电抗器Sk 和零序补偿电抗器L串联组成的 感性支路如图 2.3 所示。 设电网共有 N 条支路，C 相第 N 条支路对地出现漏电， gi I表示第 i 条支路 电网对地的零序电流，Zi表示第 i 条支路电网各相的对地阻抗，规定电网对地的 方向为正方向。可以计算出带有消弧线圈的三相电网发生漏电时，其非故障支路 零序电流的表达式保持不变，而故障支路的零序电流表达式为 33 1 1 LCngn BBjGVI N N −− ∑ − − ∑ （2.7） 从式 2.7 可以看出，33 1 1 LC BBjG N N − ∑ − − ∑ 为一个具有正实部的复数。以 n V 作为参考向量的话（设相位为 0） ，则 gn I的相位为 90～270，因此许多文献上 指出零序电压和零序电流的相差不再满足 0～180的关系，所以功率方向型选择 性漏电检测不再适用。 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 11 经过仔细分析，我们发现如果采用硬件或软件的方法将零序电压 n V移相 90 后再与各支路零序电流的相位进行比较，则移相后的零序电压再和零序电流进行 相位比较时， 仍然满足上一节介绍的相位关系。 也就是说零序电压经过移相以后， 功率方向型漏电检测仍旧可以进行。所以文献上说在中性点对地有消弧线圈电网 中，功率型漏电保护就不再适用的说法至少是不很全面的。 由于高压电缆的绝缘电阻比较大，也就是说式 2.7 中的 ∑ −1N G计较小，因此在 发生漏电时，零序电流和零序电压的相差在欠补偿时小于 270但比较接近 270， 在过补偿时大于 90但比较接近 90，因此需要在硬件或软件移相要精确定出 90 的相角。 2.2 电流保护 2.2.1 过载保护 当电动机的工作电流超过其额定电流，或设备规格选用不当，都可能使电动 机产生过载，这个过载电流会使电动机绕组的温升超过允许温升，长期过载会降 低定子绕组的绝缘水平，缩短电动机的使用寿命。电动机是一个非均质物体，其 中的发热和散热过程比较复杂。电动机发热程度应以最高温度来衡量，但最热点 温度计算起来相当困难且不准确，通常在电动机热计算中，假定电动机是一个均 质物体，只计算其平均温升。电动机是将电能转化为机械能的装置，在实现能量 转换的过程中，输入能量的一部分不能被有效地利用，以热的形式散发到周围空 气中，这一部分能量称为损耗。其中电气损耗分为铜损和铁损，各种损耗最后都 变成热能。铜损与电流的平方成正比，而电动机机械负荷的大小决定了定子和转 子电流的大小，电动机在过负荷状态下运行时，绕组温度升高，绝缘虽未损坏， 但长期运行在此状态，绕组绝缘会逐渐老化，直至击穿，造成电机烧毁。因此必 须对运行在这种过负荷状态下的电动机加以保护，即所谓的过载保护。为使电动 机在运行中具有良好的经济技术指标，以获得较长的使用寿命。对不同绝缘等级 规定了相应的温升标准。因此电动机就有一个允许温升，在实际应用中，通常采 用检测电动机工作电流的方法来模拟电动机的实际温升。电动机过载工作电流增 加，发热量增加，导致电动机的最终温升超过电动机的允许温升。而到达允许温 升这一段时间就称为电动机的允许过载时间。允许过载时间与电动机过载倍数的 关系称之为允许过载特性[20]。 过载保护原理就是依据电动机允许过载特性而设计的反时限动作曲线。电动 机工作时，其发热规律为 QQ T t T t ee A Q A − ∞∞ − −−      −− 00 Q τττττ （2.8） 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 12 Q电动机单位时间内的发热量，焦耳 A散热系数 0 τ初始温度，℃。 ∞ τ在给定条件下的最终温升，℃ Q T电动机的发热时间常数 电动机过载运行时， 达到电动机允许的最终温升需要一段时间， 这段时间称为 电动机的允许过载时间。允许过载时间与电动机过载倍数的关系称为电动机的允 许过载特性。 设 N M , 1 τ τ αβ N I β过载倍数 I电动机实际运行工作电流，A N I 电动机额定工作电流，A α 电动机过温升倍数 M τ电动机允许温升，℃ N τ电动机额定工作条件下的允许温升，℃ 由于在额定工作条件下， 2 NN IQ ∝、 2 NN I∝τ，在过载情况下，如散热条件不 变，也有 2 N IQ ∝ β 、 2 N I∝ β τ， β τ为过载条件下的最终温升。因此过载条件下的温 升也可用额定情况下的最终温升来表示。 2 2 2 β τ τβ NN I I （2.9） 由此可得过载条件下的温升为 Q T t NN e − −− 0 22 ττβτβτ （2.10） 在冷态情况下，即电机过载前长期未工作， 0 τ0。由式2.10得         − − Q T t N e1 2τ βτ （2.11） 电动机达到允许温升的时间t为 αβ β − 2 2 ln Q Tt （2.12） 如果电机处于热态，为便于分析，假定电机原来工作于额定状态条件下，即 0 τ N τ,达到允许温升的时间为 αβ β − − 2 2 1 ln Q Tt （2.13） 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 13 由于不同的电机具有不同的发热时间常数，其过载反时限特性也不相同。因 此保护器在设计时针对不同的过载倍数由不同的延时时间，具体表1.1。 2.2.2 短路保护 在高压综合保护中，对各种短路故障都应采取电流速断保护[21]。短路保护一 般都采用电流检测原则，以电流的幅值作为判据，根据短路时通过保护系统的电 流大小来选择动作电流的大小，以动作电流的大小来控制保护系统的保护范围。 但在电网中当远端负荷和近端负荷距离较远时，远端负荷的短路电流有时和近端 负荷的起动电流较为接近，这是就要有效区分起动电流和短路电流。如果是短路 电流就要立即保护，以最低限度减轻短路危害。为了有效地区分上述情况下的起 动电流和短路电流，保证系统最远端发生短路时，保护具有足够高的灵敏度，系 统采用“相敏保护”原理[22]。一般来说，起动时的功率因数较小，而短路时的功率 因数较高。利用这一点，通过检测电流滞后电压的相位来区分起动电流和短路电 流， 这在软件上是很容易实现的。 这样当CPU采样到强电流信号时同时计算与其 对应相电压的相位，便可准确和可靠地判别短路故障。 2.3 高低压保护 在正常情况下，配电线路和开关设备等对地绝缘，只承受相电压。由于某些 原因，电网的电磁能量发生突变，造成电压异常升高，出现危及设备绝缘的电压 称为过电压[23]。而电压过低则称为欠电压。当实际电压等于或大于120额定电 压时，判定为过电压，实行高压保护[24]。实际电压等于或低于70额定电压时， 判定为欠电压，实行低压保护。二者均属不正常工作状态。欠压保护还可以作为 短路保护的后备保护，当发生非金属性短路故障时，母线上的电压有可能不为0， 这时通过欠压保护实现短路后备保护。 在该部分电路中,系统通过直接或交流采样 除判断是否发生欠压或过压不正常状态外还应该将当前电压值实时、准确的显示 出来。这也是任何微机保护电路应具备的基本功能[25]。 2.4 绝缘监视保护 煤矿井下10KV供电系统中，中央变电所往井下各高压负荷送电用的是高压 双屏蔽电缆。 双屏蔽电缆的三相各分相屏蔽层与外屏蔽层连接在一起形成接地线， 在分相屏蔽层外面,有各相监视层,将这三相监视层连接在一起称为监视线。 具有以 下优点 ①当电缆在井下因冒顶等原因被砸伤时,可能造成接地线与监视线之间的短 路或断线故障,通过监视保护线,可以预先报告事故的发生,即有超前切除故障的作 用。 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 14 ②由于各主芯线都有分相绝缘层和分相屏蔽层，并且分相屏蔽层是接地的， 因此，无论由于何种原因损坏电缆使其发生两相短路或三相短路故障前，主芯线 将首先与分相屏蔽电缆接触而形成漏电故障。可见，安装漏电保护可以避免短路 事故的发生，对减小引爆瓦斯，煤层等易燃物的可能性极为有利，大大提高了供 电的安全性。 ③由于各主芯线都有屏蔽层，并且各分相屏蔽层都是接地的；因此，可大大 减小因发生电缆损坏，造成主芯线外露而发生的人身触电事故。 由此可见，研究井下电缆绝缘的在线监测技术，对提高煤矿井下供电系统的 安全性和可靠性具有非常重要的意义[26 ～28]。 现在高压防爆开关中使用的监视线保护主要依据以下三种原理终端加整流 二极管的直流监视线保护原理；终端加电阻的附加直流电源的监视线保护原理； 终端加整流二极管的二次谐波监视线保护原理。本综合保护系统的监视保护在比 较了几种以往保护的原理后，提出了基于附加直流检测的煤矿井下10KV电缆绝 缘在线监测技术，检测原理图下图所示。 A R1 R A R1 Rz z Rd Rr＋ － Rd Rr＋ － TVSTVSU Rx U Rx 图 2.4 监视保护示意图 Fig2.4 The diagram of surveillance and protection 图2.4中，虚线往昨在保护器部分，虚线往右为外接电路，Rx为等效电阻。 图中Rd为监视线与接地线之间的回路电阻，Rr为监视线与接地线之间的绝缘电 阻；Rz为终端元件，为1K电阻。U为附加直流电源电压。A点电压就反映了双 屏蔽电缆的情况。 当监视线与接地线之间因电缆被砸或其他原因造成短路时，Rx减小， 从而引 起A点电压下降；当监视线与接地线之间发生断路时，A点电压会上升。通过检 测A点电压，进而推算出绝缘电阻的大小。 重庆大学硕士学位论文 2 保护器设计原理 15 2.5 本章小结 本章对井下高压电网中出现的漏电现象进行了比较详尽的分析，针对井下三 相中性点不接地系统和经消弧线圈接地的不同系统分析了其漏电电气特征，并给 出了保护的理论依据。 文中同时对电网中出现的过载、短路、过压、欠压、绝缘开路、绝缘短路等 故障进行了分析，为对保护器的设计提供了理论依据。