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IT分组电网四级选漏快速保护系统
    【技术领域】

    本发明属于电网故障检测、安全保护领域，具体涉及中性点不直接接地的IT分组电网四级选漏快速保护系统。

    背景技术

    工矿低压电网通常是由变压器低压侧的一组出线接一台总开关，然后接并列的多台分开关引出多路并联的馈出线，形成两级至三级树状配电网。但随着煤矿井下综合机械化和大型机组的应用与发展，井下干式变压器(KBSG和KBSGZY)不但容量大增(达500KVA、630KVA)，而且变压器低压侧不再是一组引出线，而是同时引出2组至4组出线，需接2台至4台总开关，再由这些并列的总开关接到各自的并列分开关，形成各自的母线和馈出干线，并且每条干线的沿线或终端又接多个支路开关，引出许多支线电缆，从而直观上形成支线、干线和母线三级供配电系统；但从继电保护上说，这种特殊低压电网纵向应分为四级，因为这里的“母线”并非唯一，而是有2条至4条，它们都直联变压器二次低压绕组，相互并联，显然这2条至4条并列“母线总开关”的电源侧还需设置总后备继电保护，由于低压侧无法设置“总后备保护总开关”，所以这种“总后备保护”只能通过变压器高压侧的电源开关来切除故障。因此，从矿井低压电网选择性漏电保护的研究领域上说，这里将这种电网选漏保护叫做“IT分组电网四级选漏系统”。

    申请人曾于2009年8月29日，在自己所取得的先期研究成果与三项发明专利ZL02110176.7，ZL200510042067.2和ZL200510044820.1的基础上，提出申请号为200910018328.5的发明专利申请“工矿低压电网纵横向时序鉴别综合选漏模块”，此发明专利申请已于2010年2月10日公布。此项研究成果已作为核心器件用于“矿井低压漏电零序基波时序鉴别保护装置的研究与应用”项目，该保护装置已投入实际应用，并于2009年12月23日通过专家鉴定。

    该专利申请旨在研究解决矿井低压纵向两级横向6路选择性漏电保护中多个技术难题，主要创新点是：“不仅能把漏电故障按性质区分为单相集中性漏电和三相对称分散性漏电，而且能把单相集中性漏电再分解为各馈出线上发生的和母线上发生的，并在有零序电抗器补偿的低压电网实现人体触及低压母线时总开关跳闸不超过30mA·S安全值，触及分路馈出线时能在30ms内发跳闸命令”。

    然而，该专利申请200910018328.5只适用于总开关和分开关都设置在同一变电峒室的两级保护的低压电网，而无法解决本申请提出的“IT分组电网四级选漏系统”功能要求和技术指标。

    【发明内容】

    为了解决上述技术问题，本发明在上述ZL02110276.7、ZL200510042067.2和ZL200510044820.1三项发明专利及已公开的申请号为200910018328.5发明专利申请基础上，提供一种IT分组电网四级选漏快速保护系统，包括三级综合选漏保护装置和支路选漏保护器，不仅保证离散的各支路馈电开关内的支路选漏保护器在有零序电抗器补偿的低压电网人身触及支路时能在30ms内发跳闸命令，而且保证人身触及包括该组母线及所属各路干线在内的低压母线开关负荷侧的任何地方，三级综合选漏保护装置都能在100ms内给干线开关或母线开关有选择性地发出跳闸命令，实现有选择性的快速漏电保护，从而对于带零序电抗器补偿的660V及以下电压级电网，可以保证30mA·S安全值内就近切断故障线路与电源的联系；而作为四级选漏的总后备保护，对于人身触电或单相经1KΩ接地漏电的保护动作发跳闸命令的时间不超过400ms，该总后备保护还同时担负单相高阻接地和三相对称性漏电的保护，但动作时间相对长些，与阻值对应；还有分母线后备保护，作为所属干线和支线上人身触电或单相经1KΩ接地的后备保护，动作时间在300ms内。

    为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

    一种IT分组电网四级选漏快速保护系统，包含有三级综合选漏保护装置和支路选漏保护器，所述三级综合选漏保护装置包含有三级综合选漏保护模块及外围接线电路，设置于变电峒室内用以实现对包括干线、分母线和总后备三级的选择性漏电保护，每组分母线及所属干线配置一个；所述支路选漏保护器包含有支路选漏保护模块及外围接线电路，设置于各支路馈电开关内用以实现对各支路的选择性漏电保护，每个支路馈电开关内配置一个。

    所述三级综合选漏保护模块包含有零序电压u₀、各干线零序电流i₀₁～i_0n、绝缘电阻动作值直流检测信号U_DZ、分组母线零序电流i_0FM和三级综合选漏时序鉴别器，将上述电流信号分别分解为正负半波再经过滤波、鉴幅、整形、光耦等环节的信号处理，得到I_0FM+、I_0FM‑、I₀₁₊、I_01‑…I_0n+、I_0n‑，将零序电压u₀分为两组，每组分别分解为正负半波再经过滤波、移相、整形、光耦等环节的信号处理，得到U_0j1+、U_0j1‑、U_0j2+、U_0j2‑，将上述得到的电流信号、电压信号及绝缘电阻动作值直流检测信号U_DZ输入三级综合选漏时序鉴别器，所述三级综合选漏时序鉴别器内部设置有总后备保护“ZHBTZ”、分母线接地保护“FMXJD”、分母线后备保护“FMXHB”和各干线选漏保护“GXLB”，分别用于驱动跳闸TZ、驱动LED和驱动计算机接口。

    所述支路选漏保护模块包含有零序电压u₀、零序电流i₀、绝缘电阻动作值直流检测信号U_DZ和支路选漏时序鉴别器，零序电压u₀分为三组，每组再分正负半波，分别经滤波、移相、整形、光耦等环节的信号处理，得到U_0J1+、U_0J1‑、U_0J2+、U_0J2‑、U_0J3+、U_0J3‑，零序电流i₀分解为正负半波再经滤波、鉴幅、整形、光耦等环节的信号处理，得到I₀₊、I_0‑，绝缘电阻动作值直流检测信号U_DZ经滤波、光耦等环节的信号处理，得到U_DZ，将上述得到的U_0j1+、U_0j1‑、U_0J2+、U_0J2‑、U_0J3+、U_0J3‑、I₀₊、I_0‑及U_DZ输入支路选漏时序鉴别器，支路选漏时序鉴别器设有三个输出信号，分别用于驱动跳闸TZ、驱动LED及备用BY。

    本发明具有如下积极效果：

    (1)、与通常二级选漏系统相比，本方案新增了支路级选漏保护功能，当支路上发生人身触电或单相漏电故障时能迅速地由最近的支路开关跳闸，不仅避免了二级选漏系统中由远在变电峒室的馈出线(干线)开关切断电源、扩大停电范围，故障排除后、还要专程去合闸送电的麻烦；而且在有零序电抗器补偿的条件下，现在的支路选漏器人身触电的动作时间小于30ms，比部标JB6314‑1992规定的“≤80ms”快了50ms，对保证人身触电安全具有显著效益。

    (2)、与申请号200910018328.5提供的二级综合选漏保护相比，本发明虽增加了支路级选漏保护功能，但干线和分组母线上发生人身触电或单相经1KΩ接地的保护动作发跳闸命令的时间仍在100ms以内，而若按JB6314‑1992之规定，级间应设200～250ms时差以免纵向越级误动，则干线和分母线人身触电保护动作时间应分别设为300ms和500ms，可见本发明对保证人身触电安全和避免瓦斯煤尘爆炸，具有重大意义。

    (3)、本发明的总后备保护不仅保证了支线、干线和分组母线三级纵、横向选择性漏电保护的实现，而且解决了变压器二次绕组与这些并联母线总开关之间的选漏保护难题，同时解决三相对称性漏电故障的保护，对保障矿井安全生产尤其对大型矿井与特大型矿井主采区或高产采煤工作面的供电安全和连续生产具有重大意义。

    【附图说明】

    图1为本发明的原理示意图；

    图2为本发明三级综合选漏保护模块原理示意图；

    图3为为本发明三级综合选漏保护模块外围接线示意图；

    图4本发明支路选漏保护模块原理示意图；

    图5为本发明支路选漏保护模块外围接线示意图。

    具体实施方式：

    下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

    如图1所示，针对“IT分组电网四级选漏系统”中支路开关离散设置、各组分母线开关和相应的干线分路开关设置于变电峒室内、变压器低压线圈及2至4组引出线的总后备保护需借助变压器高压侧电源开关等具体情况，本发明包含有三级综合选漏保护装置和支路选漏保护器，所述三级综合选漏保护装置包含有三级综合选漏保护模块及外围接线电路，设置于变电峒室内用以实现对包括干线、分母线和总后备三级的选择性漏电保护，每组分母线及所属干线配置一个；所述支路选漏保护器包含有支路选漏保护模块及外围接线电路，设置于各支路馈电开关内用以实现对各支路的选择性漏电保护，每个馈电开关内配置一个。

    本发明中零序电压u₀和零序电流i₀的提取方法与ZL200510042067.2类同，略有改进；漏电故障判选原理采用零序基波时序鉴别与附加直流电源检测相结合的方法；为了限制单相接地漏电电流，还采用ZL200510044820.1提出的零序电抗器分散补偿方法。

    如图2所示，三级综合选漏保护模块与申请号为200910018328.5的专利说明书附图1“纵横向时序鉴别综合选漏模块”相似，创新点在于在二级系统基础上，“三级综合选漏保护模块”的特点，一是新增了分母线零序电流信号i_0FM输入与处理电路，然后将信号引入“三级综合选漏时序鉴别器”；二是将对应于二级系统称分路馈出线的漏电保护定义为干线选漏保护“GXLB”，担任干线上人身触电和单相经1KΩ漏电的主保护，兼干线下属各支路人身触电或单相经1KΩ漏电的后备保护，该保护“GXLB”动作时间，由二级系统馈出线的“≤30ms”改为GXLB的“≤100ms”；三是将二级系统的母线接地保护改为分母线接地保护“FMXJD”，指人身触及分母线范围的快速保护，动作时间也是“≤100ms”；四是将对应于分组母线开关处的分母线后备保护“FMXHB”定义为所属干线人身触电和单相漏电的近后备保护，兼下属支路人身触电或单相漏电的远后备保护，动作时间≤300ms；五是新增总后备保护“ZHBTZ”，担任系统三相对称漏电故障的主保护和支线、干线、分组母线上人身触电和单相漏电的总后备保护，动作时间≤400ms。

    综合图2和图3，三级综合选漏保护模块的结构原理如下：

    (1)、将从图3的三相电抗器SK0中性点对地经电容C0隔直、变压器TC0降压取出的零序电压u₀接入图1后分为两组，每一组又分为正半波和负半波两部分，分别经过滤波、移相、整形、光耦等“信号处理电路”取得4个基准电压方波信号U_0j1+、U_0j1‑、U_0j2+、U_0j2‑。

    (2)、将从图3中各干线零序电流互感器CT二次侧取出的零序电流信号i₀₁、i₀₂、…i_0n接入图1，然后各分为正半波和负半波两部分，并分别经滤波、鉴幅、整形、光耦等“信号处理电路”取得基准方波信号I₀₁₊、I_01‑、I₀₂₊、I_02‑、…I_0n+、I_0n‑等。

    (3)、U_DZ是藉助传统的附加直流电源法由图3中“绝缘监视附加直流电源盒”取得到的，反映电网对地绝缘水平的“绝缘电阻动作值”信号，经滤波、光耦等信号处理(图2中未画出)，仍记为U_DZ。

    (4)、从图3中分组母线上的零序电流互感器二次取出的分母线零序电流i_0FM接入图1后再分解为正负半波再经过滤波、鉴幅、整形、光耦等环节的信号处理，得到I_0FM+和I_0FM‑。

    (5)将上述得到的U_0j1+、U_0j1‑、U_0j2+、U_0j2‑、I₀₁₊、I_01‑、I₀₂₊、I_02‑、…I_0n+、I_0n‑、I_0FM+、I_0FM‑以及U_DZ等输入信号输入三级综合选漏时序鉴别器，经过该三级综合选漏时序鉴别器内部的逻辑运算、分析和判断，将故障鉴别结果输出。

    (6)三级综合选漏时序鉴别器将输出信号分别设置为干线跳闸信号GXTZ₁、GXTZ₂…GXTZ_n，分母线跳闸信号FMXTZ，总后备跳闸信号ZHBTZ；干线选漏保护计算机接口GXLB1J、GXLB2J…GXLBnJ，分母线接地漏电计算机接口信号FMXJDJ，三相对称漏电计算机接口SXLDJ，分母线后备保护计算机接口信号FMXHBJ；干线选漏保护LED灯光指示GXLB1L、GXLB2L、…GXLBnL，分母线接地漏电LED指示信号FMXJDL，三相对称漏电保护动作LED指示信号SXLDJ，分母线后备保护LED指示信号FMXHBL。

    如图4所示，支路选漏保护模块与ZL200510042067.2中的选漏保护器类似，创新点在于在原有“低压电网时序鉴别选漏保护器”的基础上将零序电压基准信号由以前的一组两个U_0J1+和U_0J1‑，增加到三组六个，新增U_0J2+和U_0J2‑、U_0J3+和U_0J3‑，从而使每周期20ms内对漏电故障的检测次数由2次增加到6次，使支路上人身触电或单相经1KΩ接地的保护动作发跳闸命令的时间由以前“≤80ms”(对应于带零序电抗补偿的矿井低压电网的行业标准JB6314‑1992规定的时间)缩短为“≤30ms”，实现带零序电抗器补偿的低压电网支路馈出开关的快速选漏保护。

    综合图4和图5，支路选漏保护模块的结构原理如下：

    (1)、将从三相电抗器SK中性点对地经电容C隔直、变压器T1、T2降压取出的零序电压u₀分为3组，每一组又分为正半波和负半波两部分，分别经过滤波、移相、整形、光耦等“信号处理电路”取得6个基准电压方波信号U_0J1+、U_0J1‑、U_0J2+、U_0J2‑、U_0J3+、U_0J3‑。

    (2)、将从各分路馈出线上安装的零序电流互感器CT二次回路取出的零序电流信号i₀分为正半波和负半波两部分，并分别经滤波、鉴幅、整形、光耦等“信号处理电路”取得方波信号I₀₊、I_0‑。

    (3)、U_DZ是藉助传统的附加直流电源法检测得到的，反映电网对地绝缘水平的“绝缘电阻动作值”信号，经滤波、光耦等信号处理(图2中未画出)，仍记为U_DZ。

    (4)将上述得到的U_0J1+、U_0J1‑、U_0J2+、U_0J2‑、U_0J3+、U_0J3‑、I₀₊、I_0‑以及U_DZ等输入信号输入支路选漏时序鉴别器，支路选漏时序鉴别器设有三个输出信号，分别用于驱动跳闸TZ、驱动LED及备用BY，上述输入信号经过该模块内部的逻辑运算、分析和判断，将故障鉴别结果输出。

    下面根据图1所示的原理图提供应用本发明的五个相关具体实施例：

    1、用于煤矿井下660V/1140V的IT分组四级供配电系统，实现四级快速选漏保护。

    2、用于煤矿井下1140V/3300V负荷中心，负荷中心同时具有1140V/3300V两种配电电压，每种电压的配出形式与图1所示IT分组多级电网相似，因此每个负荷中心根据不同需要配置不同数量的“三级综合选漏保护模块”和“支路选漏保护模块”，以实现四级快速选漏保护。

    3、用于煤矿井下具有局部扇风机需要专用变压器、专用馈电开关和专用电缆以保证不间断供电的“三专”供电场所，利用本发明提供的选漏保护系统的特殊功能，将采区变电所通常的矿用变压器二次低压侧的一台总开关改为两台并联总开关，类似图1中母线开关4与母线开关5，这新增的总开关及其馈出的电缆就作为“三专”中的“两专”，由于有两台总开关分别实现多级选漏的总后备保护，专用变压器可以省去，既保证了供电安全，又节省了专用变压器购置费和所占用峒室空间。

    4、用于煤矿井下通常的母线、干线、支线“三级”选漏系统，这时只需将本发明的总后备保护“ZhbTZ”功能合并到“FMXTZ”中即可，以实现三级快速选漏保护。

    5、用于选煤厂、化工厂、石化、船舶的IT低压三级配电网，用法与“4”类似，已实现低压三级电网快速选漏保护。