王海王，冯豪

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)

0 引言

我国煤矿井下的低压供电系统，普遍采用了三相变压器中性点不接地系统。由于中性点不直接与大地连接，此系统电网即使发生单相接地，也不会与大地形成短路故障，可保护煤矿井下系统电网的安全运行。即使发生故障，煤矿井下用电设备在短时间内也能正常运行，不会造成系统电网接地故障后间接引起的二次故障，防止故障扩大[1]。因此,变压器中性点不接地系统特别适合于煤矿井下低压系统电网点多、工作面广、用电设备复杂的地方，大大提高了供电系统的可靠性。但供电电缆对地存在分布电容，必须要保持供电电缆有较高的绝缘状态[2]。比如,当系统电网中发生单相接地或单相经过渡阻抗接地故障后，非故障相的相电压将升高到线电压。若不及时地检测出系统电网的漏电故障，使系统电网长期在故障状态下运行，则会破坏非故障相的电缆绝缘能力及降低用电设备的绝缘水平，造成绝缘击穿。而漏电保护功能就是在人身漏电故障或系统供电电网对地绝缘能力下降时能立即切断供电电源，起到保护用电设备及人身安全的重要作用。目前我国煤矿井下低压供电系统中，漏电保护功能主要采用零序电压检测和附加直流检测的原理来实现。因此,本文着重通过零序电压检测和附加直流检测的原理，比较两种漏电保护方法的优缺点。

1 零序电压检测原理

在煤矿井下变压器中性点不接地供电系统电网中，由于正常情况下供电电缆对地绝缘状况较好，供电电缆每相对地绝缘阻抗一致，故此时系统电网对地没有零序电压产生。只有当供电系统电网中出现单相接地或漏电故障时，系统电网三相对地绝缘阻值不再一致，对地绝缘阻抗失去平衡，该系统电网中才会产生零序电压。由此,零序电压的检测原理,主要是在供电系统电网漏电或供电电缆对地绝缘阻值下降时，利用零序电压互感器检测出系统电网对地的零序电压。当检测出的零序电压值达到漏电整定值时，必须切断系统电网供电,以保证安全。

图1为零序电压的检测原理。图1中的T1为三相五柱式电压互感器，其原边绕组分别接到系统电网的三相，副边绕组接成开口三角形，用来检测系统电网漏电时对地的零序电压U0[3]。rA、rB、rC分别为系统电网每相对地阻值，CA、CB、CC分别为系统电网每相对地电容。当供电系统电网中未出现单相接地或漏电故障时，即rA=rB=rC，CA=CB=CC，供电电缆每相对地绝缘阻抗一致，此时系统电网对地没有产生零序电压U0。当此系统电网出现单相接地或漏电故障时，便有电流经过其他两相的对地绝缘电阻和电容构成电流回路。

图1 零序电压检测原理

U0的计算公式[4]:

(1)

式中:UA为漏电相的相电压;Z0为每相的零序阻抗；rR为漏电相的人身电阻。

Z0的计算公式:

(2)

根据式(1)、(2)可以得出如下结论：供电系统电网对地漏电时产生的零序电压，不但与漏电时的漏电电阻有关，而且与供电系统电网对地的绝缘阻值和对地分布电容及电网的电压有关。但在低压系统电网中，漏电保护判断漏电的指标并不是零序电压，而是对地漏电的漏电电阻。

由式(1)可以看出，零序电压是关于电网系统电压、电网系统对地绝缘阻抗和漏电电阻的一个多变量函数。它随漏电时漏电电阻的降低而增加。

根据MT 189—88《矿用隔爆型检漏继电器》的要求，系统电网电容在0.1～1.0 μF之间变化时,漏电电阻动作值误差应不大于±20%。在系统电网电压为1 140 V发生漏电的情况下，用660 V/42 V零序变压器测得零序电压采样值与漏电电阻、系统电容的关系如表1所示。

表1 零序电压与漏电电阻、系统电容的关系

根据MT 189—88中的规定，系统电网为1 140 V的单相漏电电阻动作值为20 kΩ。如表1所示：当系统电压相同、漏电电阻一样时，零序电压随系统电容的增加而降低；在同样是20 kΩ电阻漏电的情况下，电网系统电容在0.10 μF和1.00 μF时，两个零序电压采样值相差16.6 V；在漏电电阻为50 kΩ、系统电容为0.10 μF时，零序电压采样值为8.940 V，原本不应该动作。但是其零序电压采样值在漏电电阻为40 kΩ以下时的采样值范围之内，进入到了漏电阻值的动作区间，就会有可能造成保护器的误动作。同样的原理，在漏电阻值40 kΩ以下采集零序电压时，原本保护器应该动作，但有可能拒动。因此，采用零序电压检测法计算系统电网漏电时的对地漏电阻值，其检测精度比较差，漏电电阻的动作值根本达不到MT 189—88的规定要求[5]。

同时,零序电压检测方法容易受到系统电网的干扰，即系统供电电缆长度、系统电网对地分布电容、系统电网对地绝缘状态等都能干扰零序电压的检测[6]。因此,通过零序电压检测方法检测出来的零序电压值，经常不能真实地反映出系统电网对地的绝缘情况，造成了漏电保护拒动或误动的状况。

2 附加直流检测原理

附加直流检测的原理,是在供电系统电网与大地之间施加一组独立的直流电源。当系统电网与大地之间出现漏电故障或绝缘电阻出现下降时，施加在系统电网中的直流电流就会发生变化。通过对直流电流的计算可以得出系统电网对地的绝缘阻值[7]。附加直流检测原理如图2所示。

在图2中，SK为三相电抗器，输入侧接到系统供电电网中，输出侧为在检测电路中人为制造中性点。当系统电网与大地之间出现漏电故障时，其附加直流电源U产生的电流I经过电阻r1、三相电抗器SK的直流电阻rSK、三相对地绝缘等效电阻rε、电阻r2形成回路。通过对流经故障点的直流电压U1的计算可得出此系统电网对地的绝缘阻值,即:

图2 附加直流检测原理

(3)

当供电系统电网中的任意一项对地绝缘阻值下降时，由于系统电网对地的等效绝缘电阻的阻值rε是三相分别对地绝缘电阻的并联阻值，故其下降的幅度要小于三相电阻同时下降的阻值。这样,通过附加直流法检测出来的rε就可以计算出系统电网对地的绝缘阻值,即可通过对系统电网对地绝缘阻值的检测来进行漏电保护[8]。

在附加直流电源检测系统中，由于三相电抗器SK的存在，当系统电网对地绝缘下降或在漏电的情况下，会有交流电流经过三相电抗器SK、电阻r1和r2，影响采样电压U1的精确度。另外，系统电网对地分布电容由于受到供电电缆长度、电缆绝缘材料及电缆放置方式等多种因素的影响，系统电网三相对地的分布电容不再是固定值。电容c1是将流经三相电抗器SK的交流电流流入大地，使交流电流不会影响采样电压U1的精确度。由于旁路电容c1是固定值，系统电网三相对地分布电容的不确定性，经常造成过补偿或欠补偿，影响采样电压U1的精确度。

通过对附加直流检测法的漏电保护原理的分析可知,附加直流检测法的漏电保护原理可以监测整个供电系统电网的对地绝缘阻值，全面保护整个低压供电电网系统，且保护动作无死区;也符合《煤矿安全规程》规定的用系统电网的绝缘阻值作为系统电网绝缘能力下降或系统电网漏电的判断依据[9]。

3 结论

漏电保护是煤矿井下安全供电的三大保护之一。在煤矿低压供电系统电网中，由于井下工作环境和供电电缆长度等因素引起的分布电容的干扰，以及在变压器三相中性点不接地的供电系统电网中的漏电电流较小，漏电保护装置对漏电电流的检测精度往往不高。采用零序电压检测法容易受到系统电网电容的影响，不能准确测出系统电网对地的绝缘阻值。而采用附加直流检测法可以检测出系统电网对地的绝缘阻值。但由于检测电路中的交流信号分量和旁路电容造成的过补偿或欠补偿，使检测出来的系统电网对地的绝缘阻值存在偏差。