馈电系统的漏电保护技术

摘要 针对当前井下低压电网环境下，使用馈电保护装置不足的问题，提出一种新型的综合性馈电保护装置，重点讨论该系统的工作原理、硬件结构、软件流程以及抗干扰技术，测试结果和使用情况表明，系统保护装置既保证了准确的动作电阻值和选择性。又提高了馈电系统的可靠性、稳定性且满足了实际应用。
关键词 漏电保护；附加直流；零序电压；零序电流；硬件结构；软件流程；抗干扰技术

目前我国井下使用的漏电保护技术有：基于附加直流电源漏电保护原理构成的漏电保护；基于检测零序电压大小构成的漏电保护和由检测零序电流大小构成的漏电保护等。这些技术都存在一定的缺陷：
(1)通过检测附加直流电源实现漏电保护，动作无选择性。(2)通过检测零序电压大小实现漏电保护，动作电阻值不稳定。(3)通过检测零序电流大小实现漏电保护，单相漏电时动作有选择性，但动作电阻值不稳定，当电网支路较少时，易产生误动作。(4)通过测量零序电流方向实现漏电保护，可以利用故障和非故障支路零序电流的大小和方向的不同加以区分，达到选择性保护的目的，但其存在动作电阻值不稳定，并且需要有足够大的零序电流才能使能保护动作。
针对当前井下低压电网的环境和技术上的缺陷，系统采用附加直流和零序功率方向检测两种技术，提出在电网的主支路选择基于附加直流源保护原理的漏电装置；而在电网的分支路选择基于零序功率方向保护原理的选择漏电保护装置。既保证了准确的动作电阻值，又保证了动作的选择性。提高了馈电系统的可靠性和稳定性，可以满足工业现场的应用需求。

1 漏电保护原理
1．1 附加直流源漏电保护原理
电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻值的下降。可在三相电网与地之间附加一个独立的直流电源，则在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流过，该电流的大小变化直接反应了电网对地绝缘电阻的变化，有效地检测和利用该电流就可以构成附加直流电源，进行检测漏电保护。
如图1所示，直流电流I由独立直流电源的正极经电阻R1流入三相电抗器的人为中性点，经三相电抗器进入三相线路，再经电网对地绝缘电阻r1，r2，r3流入地，最终返回负极。由于三相电抗器的电阻非常小，当取样电阻阻值一定时，直流电流主要由电网对地绝缘电阻决定。因此只需检测取样电阻R1上的直流电压大小即可分析电网对地的绝缘情况。

1．2 选择性漏电原理
在多支路的辐射式电网中，当任意支路发生漏电故障时，各分支线路中都会有零序电流通过。通过故障支路的零序电流的大小和方向都与非故障支路不同。故障支路的零序电流是所有非故障支路零序电流之和。根据零序电流大小的不同可以区分故障支路和非故障支路。这就是用零序电流幅值比较法进行选择漏电故障支路的理论依据。此外，故障支路的零序电流方向是流向母线的，而非故障支路则由母线流向支路。它们的方向不同，这就是零序电流功率方向的保护原理。零序电流和零序电压的相位采用硬件处理判断，零序电流采用硬件整流，微处理器只须进行直流采样，使得软件算法简洁，判断迅速。

2 硬件及软件实现
2．1 附加直流源法硬件实现
漏电保护的附加直流源硬件框图如图2所示，漏电电流通过采样电阻R2获取电压，经过滤波电路滤除干扰信号经光耦隔离后送入A／D前端进行采样。
2．2 零序功率方向型漏电检测法硬件实现
通过零序功率方向信息判断漏电故障支路，再通过漏电支路零序电流阈值进行二次判断后，可以准确地判断漏电故障支路。因此该系统需要获取井下电网的零序电压和零序电流来进行功率方向判断，其获取电路框图如图3所示。零序电压的获取是利用三相电抗器的中性点外接电阻获得，通过无源、有源的滤波衰减后，经方波整形、光耦隔离与零序电流信号异或后，再送入微处理器的电平监测单元。零序电流互感器通过三相线获得零序电流，电流经采样电阻变为电压信号。电压信号经放大、滤波、调理后分为两路。一路通过方波整形、光耦隔离与零序电压脉冲信号异或后送入为处理器的电平监测单元；另一路通过整流，线性光耦隔离送入微处理器的A／D采样单元。

2．3 附加直流源保护软件实现
附加直流源法的软件部分主要包含漏电电阻值的标定和漏电故障判断两部分。由于处理器只能获取电阻值的电压信号，因此首先要对采样电压值对应的电阻值进行标定，然后把标定值记录在Flash中，用来判断漏电电阻的阻值。漏电故障判断部分流程图如图4所示。如果馈电系统被设置为总开关，那么断路器在合闸后，软件将进入漏电故障判断循环。软件监测采样电阻值，如果采样电阻值小于漏电电阻阈值，进入漏电故障处理模块，否则继续监测采样电阻值。