磁力起动器的漏电保护毕业论文设计.doc

论文题目：磁力起动器的漏电保护
专 业：电气工程及其自动化
本 科 生： 沈少峰 （签名）
指导教师： 高 赟 （签名）

摘要：
简述了漏电的概念、产生原因、危害、对漏电保护的研究，分析对比了漏电保护的原理、分析了电网单相接地故障时零序电流分布情况，得出了采用零序电流方向保护原理来选线的方案。以零序电流和电压相位的关系作为漏电选线的直接依据，实现了对电网漏电的选择性保护。该方法不需要快速傅立叶分析、计算有功功率等复杂的设计运算，简化了设计，使系统具有简单，判断迅速，灵敏的特点。

选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择地发出故障信号或切断故障支路电源申范围，不便于寻找漏电故障而非故障部分继续土作。从而减小故障停电范围，便于寻找漏电故障，缩短漏电停电时间，提高了供电的可靠性。
关键词：
漏电 、零序电流 、零序电流方向保护原理、供电可靠性

目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2选题背景 2
1.3课题研究意义 2
1.4产生漏电的原因 3
1.5井下低压电网发生漏电的危害 4
1.6选择性漏电保护的发展现状 5
1.7漏电保护的要求 5
1.8本文的主要研究内容及工作任务 7
第二章 漏电保护原理 9
2.1附加电源直流检测式漏电保护 9
2.1.1保护原理 9
2.1.2动作值整定 11
2.1.3评价 11
2.2零序功率方向式漏电保护 12
2.2.1保护原理 12
2.2.2动作值整定 14
2.2.3评价 15
2.3旁路接地式漏电保护 16
2.3.1保护原理 16
2.3.2故障相的选择方法 17
2.3.3评价 17
2.4其他漏电保护方式简介 17
2 4.1利用3个整流管的漏电保护 17
2.4.2序零电压式漏电保护 18
2.4.3零序电流式漏电保护 18
2.4.4自动复电式漏电保护 18
第三章 漏电保护的硬件设计 21
3.1漏电保护原理的分析 21
3.2硬件的设计 22
3.2.1信号的采集 23
3.2.2漏电信号采集、处理单元电路 24
3.2.3变压器 25
3.2.4互感器 26
3.2.5单相桥式整流电路 27
3.2.6单片集成稳压电源 28
3.2.7双电压比较器电路—LM393 30
第四章 调试 32
第五章 总结 33
致谢 34
参考文献 35
附录1 漏电信号采集、处理电路 36
附录2 信号的采集和直流稳压电源 37
附录3 英文译文 38
译文 38
原文 41

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第一章 绪论
磁力起动器（又称电磁起动器），是由交流接触器和热继电器组装在铁壳内，与控制按钮配套使用的起动器。用以对笼型电动机作直接起动或正反转控制。电磁起动器中的的热继电器起过载保护作用。接触器兼起欠压和失压保护作用。配以带熔丝的闸刀开关作隔离开关后，又有了短路保护。如果配的热继电器带有断相保护装置，则电磁起动器还起断相保护作用。这样，电磁起动器就有了较完善的保护功能。
智能磁力起动器主要用于煤矿井下一些小型设备,控制电机的启动和停止，如小水泵、风扇和小型刮板运输机等,作为短路保护。

1.1引言
漏电的定义：在电力系统中，当带电导体对大地的绝缘阻抗降低到一定程度，使经该阻抗流入大地的电流增大到一定程度，我们就说该带电导体发生了漏电故障，或者说该供电系统发生了漏电故障。流入大地的电流，叫做漏电电流。日常所见到的架空线路离地面很高，但空气也是一种绝缘物质，对电有一定的绝缘电阻，加上沿线对地的分布电容，所以正常时带电的架空导线上也有微小的泄漏电流经空气人地，不过其数值很小，一般可以忽略不计，这种现象不能称作漏电故障。电缆线路和各种电气设备与架空线路一样，正常运行时也有微小的泄漏电流人地，同样不能说它们发生了漏电故障。具体地，当人地电流由于某种原因增大至数十毫安、数安培甚至数十安培时，线路或电气设备就可能已发生了漏电故障。当入地电流增大至数百安培及以上时，它又超出了漏电故障的范围，进人过流(短路)故障的范围。
漏电电流与正常的泄漏电流之间没有严格的界限，这种界限还与电网的结构、电压等级、中性点接地方式等因素有关。漏电保护装置的动作值往往就是这种界限的标志;同样，漏电电流与短路电流之间也没有严格的界限，而过流保护装置的动作值往往就是这种界限的标志。
在中性点直接接地的低压供电系统中，如果一相带电导体直接与大地接触，这时流入地中的电流通过大地，接地极、供电变压器绕组及导线构成回路，由于元件的阻抗都很小，因而回路中将产生很大的电流，可达数百、数千安培，此时，有关的过流保护装置将动作，切断故障线路的电源。这种故障不属于漏电故障的范围，通常称之为单相接地短路。但是，若在该系统中发生一相带电导体经一定数值的过渡阻抗接地(如人体电阻等)，人地电流就小多了，其值常不足1A，此时过流保护装置根本不会动作，而漏电保护装置则应该动作，所以说，这种故障又属于漏电故障的范围。
在中性点绝缘(不接地)的低压系统中，若发生一相带电导线直接或经一定的过渡阻抗接地，则流人地中的电流只能通过电网三相对地电容和对地绝缘电阻而与变压器中性点构成回路。由于电网对地阻抗很大，故入地电流也常不足1A，过流保护装置不动作，这种情况属于漏电故障。至于中性点经高阻抗接地或经消弧线圈接地的供电系统，其情况与中性点绝缘的供电系统类似，只是人地电流稍大一些，当发生一相带电导线直接或经一定的过渡阻抗接地时，都属于漏电故障。
对于目前国内井下广泛采用的变压器中性点绝缘的供电系统，漏电故障的明确定义:在中性点绝缘的供电系统中，发生单相接地(包括直接接地和经过渡阻抗接地)或两相、三相对地的总绝缘阻抗下降到危险值的电气故障就叫做漏电故障，简称漏电。显然，在这种供电系统中，人身触及一相带电导体的情况，属于单相经过渡阻抗接地，对人来说是发生了触电，对整个供电系统来说就是发生了漏电。
漏电的种类：根据煤矿井下电网的实际情况，漏电故障可分为集中性漏电和分散性漏电两类。所谓集中性漏电，是指发生在电网中某一处或某一点、而其余部分的对地绝缘水平仍然正常的漏电。所谓分散性猫电，是指整条线路或整个电网的对地绝缘水平均匀下降到低于允许水平的漏电。集中性漏电又分为长期集中性漏电、间歇集中性漏电和瞬间集中性漏电3种类型。长期集中性漏电是指电网中的某一设备或电缆，由于某种原因使绝缘击穿或带电导体碰壳而造成的漏电故障，如果没有相应的保护装置，或者保护装置拒动，这种漏电故障将长期存在。间歇性漏电，一般指电网内某台设备的负荷端，如磁力起动器负荷侧的电缆和末端的电动机，由于某种原因使绝缘击穿、带电导体碰壳而发生的漏电故障，这种漏电故障的存在与磁力起动器的停、送电状态有关，如果磁力起动器合闸，这部分线路就发生漏电，如果磁力起动器分闸，其漏电故障就消失。瞬间集中性漏电，主要指人员或其他接地的导体偶尔触及设备的带电部分后，立刻又摆脱或分开的情况。
1.2选题背景
漏电保护是保证煤矿井下安全供电的三大保护(保护接地漏电保护和过流保护)之一，是防止人身触电的重要措施。我国矿井下的工作环境比较潮湿，相对湿度往往高达95%以上，为此，对其使用的电气设备和电缆的绝缘提出较高的要求。尽管如此运行中的电气设备及其供电电缆，由于工作环境恶劣，漏电现象时有发生。因此，装设漏电保护装置对矿井安全生产尤为重要主要体现在：
(1)防止漏电流引燃瓦斯和煤尘，当空气中的瓦斯浓度在5%～15%，氧气浓度适当，并遇上点火源时，便会引起爆炸。电缆与其他井下电气设备相比更易受损。当电缆受损后，由于绝缘被破坏，便有漏电流。漏电流就有可能成为点火源。由于瓦斯的可能点燃能量很低，仅为0.28mJ。因此，及时有效的漏电保护装置可降低漏电流引燃瓦斯、煤尘的可能性。
(2)防止漏电流烧损电气设备对于高压电路，由于电网分布电容大、电压高、漏电流大。因此，漏电流的长期存在可烧毁电气设备。尤其是橡胶电缆，如果单相 漏电故障不及时处理，则其漏电流可能会使电缆的绝 缘受损而发展成两相短路，使故障事态扩大。对低压电 路，由于漏电流小，一般漏电流不能直接烧毁电气设备。但是由于漏电流长期存在，电气设备局部发热使其绝缘局部老化加剧，必将大大缩短电气设备的寿命，而漏电保护则使电网不可能长时间地存在漏电流。因此，可有效地防止漏电流烧损电气设备。
1.3课题研究意义
我国煤矿井下低压电网的中性点全部为不接地方式，漏电是井下低压电网的主要故障形式之一，约占其总故障的70%左右，它不但会导致人身触电事故，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路，由此引发的电弧会造成瓦斯和煤尘爆炸。漏电保护的原理和装置的种类较多，但从适用于井下低压电网的漏电保护原理来看，目前主要有以下几种：附加直源检测保护原理、零序电压保护原理、旁路接地式保护原理、零序电流大小及零序电流方向保护原理。前三种保护原理为 非选择性漏电保护，供电电网的任何地方出现漏电故障，保护装置即动作并切除整个工作面电网，且无法确定故障支路。后两种保护原理为选择性漏电保护，可以判断出故障支路，有选择地将故障支路切除。但是，随着矿井规模的扩大，供电系统复杂性的提高，对漏电保护提出了更高的要求。因此，研究选择性漏电保护理论与技术应用对矿井安全生产具有重要意义。
本论文的研究对象是井下中性点不接地的低压电网系统，研究重点主要放在 发生单相漏电故障时。通过对中性点不接地低压电网的漏电分析，提出基于零序电流方向保护原理的的选线漏电保护方案，实现矿井低压电网的选择性漏电保护。
1.4产生漏电的原因
井下低压供电系统中发生漏电的原因，大致有以下几个方面。
(1) 电缆或电气设备本身的原因
敷设在井下巷道内的电缆，由于井下环境潮湿，且运行多年，其绝缘老化或潮气人侵，引起绝缘电阻下降，使正常运行时系统对地的绝缘阻抗偏低而发生漏电。在这种供电系统中，还会因偶然的过电压冲击，使绝缘水平较低处发生击穿，产生集中性漏电。
开关设备长期使用，接线板潮湿可能造成漏电;其内部元件(主要是控制变压器、接触器、继电器、线圈等)或导线，因某种原因使绝缘恶化、导线头碰壳也会造成漏电;自动馈电开关中的过流继电器，当调整螺杆拧得过低时也会因相对地放电而造成漏电。
长期使用的电动机，工作时发热膨胀，绕组有一定的范性形
变，停机后冷缩而形成缝隙，井下潮气、煤尘容易侵人，久而久之，就会因绝缘受潮、绕组散热不良等原因使绝缘材料变质、老化而造成漏电。此外，电动机内部接头脱落，使一相导线接触金属外壳而产生的漏电也较常见。
(2)因施工安装不当引起漏电
电缆施工接线错误，如误将相线与地线相接，通电后就会发生漏电;橡套电缆接头违反施工工艺要求，如采用了“鸡爪子”、“羊尾巴”和明接头等，这些接法都破坏了橡套的绝缘，在井下潮气的侵蚀下易发生漏电，此外，这些接法的机械强度都较低，容易被拉断而造成漏电。
电缆与设备连接时，由于芯线接头不牢，封堵不严、压板不紧，运行或移动时造成接头脱落或接头松动，使相线与金属外壳直接搭接而漏电，或者是因接头发热过度使绝缘损坏而漏电口
橡套电缆悬挂方法违反规定，采用铁丝或铜丝悬挂，时间一长因橡套强度低使铁丝或铜丝嵌人绝缘层内，接触芯线而产生漏电。
井下并道狭窄，油浸纸绝缘恺装电缆在巷道内敷设或进出俐室时转弯非常不便。从保护绝缘的愿望出发，要求电缆在转弯或盘绕时，其曲率半径不得小于电缆外径的15倍，否则就容易把电缆内部的绝缘层折裂;但是在实际敷设时人们很少注意这一要求，或是现场情况无法满足这一要求，因而使电缆的绝缘层受损，运行时间一长，就可能发生漏电。
开关或其他电气设备的内部接线错误，或接线头松脱碰壳，当合闸通电时便发生漏电。
(3)因管理维护不当引起漏电
由于管理不严，电缆被埋压或脱落浸泡于水沟中。电缆被埋压后其热量不易散发，时间一久将使绝缘老化而漏电;电缆浸泡于水中，由于受井下水的酸性侵蚀及渗透作用，也会使绝缘因受潮而漏电。
电气设备长期过负荷运行造成绝缘老化损坏而漏电。
电动机因长期被煤石堵塞风道，造成通风不良而发热使绝缘老化受损而漏电。
对已受潮或遭水淹的电气设备，未经严格的于燥处理和对地绝缘电阻、耐压试验，又投人运行，极有可能发生漏电或其他电气故障。
(4)因维修操作不当引起漏电
井下巷道狭窄，环境较暗，工人工作时劳动工具(锹、镐、钎等)易将电缆割伤或碰伤，造成漏电。此外，采掘机械移动时，由于司机人员照顾不到，使供电电缆受到拉、挤、压、绞等作用，也可能造成漏电。
在并下进行冷、热补橡套电缆和浇灌电缆接头时，由于线芯连接不牢固、绝缘胶浇灌不均匀，以及硫化热补或冷补质量低劣、故在运行期间芯线接头容易发热，使油和绝缘胶往外渗漏，严重时就会产生漏电。
开关设备检修后，残留在开关内的线头、金属碎片等未能清扫干净，或将小零件与电工工具等忘在开关内，如果这些东西碰到相线，送电后就会发生漏电。
修理电气设备时，由于停送电操作错误、带电操作或施工不慎，可能造成人身触及一相而漏电。
开关分、合闸时，由于灭弧机构有故障，造成电弧熄灭困难，电弧接触外壳而漏电。此外，当发生漏电而切断总电源后，为寻找漏电支路而分别强行送电也是造成重复漏电的原因。
(5)因意外事故引起漏电
井下电缆常因顶板失落、矿车出轨、支柱倾倒等意外机械事故所损伤而导致漏电。
井下电缆因短路故障造成局部对地绝缘损坏，当处理短路故障后未经对地绝缘电阻侧定而恢复送电时，就会发生漏电。
大气过电压沿下共电缆人侵，击穿其对地绝缘而发生漏电。
1.5井下低压电网发生漏电的危害
煤矿井下低压电网大部分在采区，环境条件恶劣，又是工人员和生产机械比较集中的地方，电网若发生漏电，将导致危险。
(1)人身触电
当电气设备因绝缘损坏而使外壳带电，而工作人员又接触此外壳时，就会导致人身触电事故，此时人地电流的一部分将要从人体流过，其数值大到一定程度就会造成工作人员的伤亡。工作人员触及刺破橡套电缆外护套而暴露在空气中的芯线是一种更加严重的人身触电，此时，入地电流绝大部分流经人体，因而对工作人员的危险性更大。
(2)引起瓦斯及煤尘爆炸
我国大部分煤矿都有瓦斯和煤尘爆炸的危险，当井下空气中瓦斯或煤尘达到爆炸浓度且有能量达到D. 28 m1的点火源时，就会发生瓦斯或煤尘爆炸。井下的点火源大都是电火花，而漏电所产生的电火花则占有相当的比例，当电网发生单相接地或设备发生单相碰壳时，在接地点就会产生电火花，若此电火花具有足够的能量，就可能点燃瓦斯和煤尘。
(3)烧损电气设备，引起电火灾
长期存在的漏电电流，尤其是两相经过渡电阻接地的漏电电流，在通过设备绝缘损坏处时将散发出大量的热，使绝缘进一步损坏，甚至使可徽性材料(如非阻燃性橡套电缆)着火燃烧。在井下，“鸡爪子钾接头处所用的绝缘胶布就容易着火燃烧。
(4)引起短路事故
据统计，约有3a%的单相接地故障发展为短路的原因是很简单的。长期存在的漏电电流及电火花使漏电处的绝缘进一步损坏，最后危及相间绝缘而造成短路。
(5)产重影响生产
按规程要求，一旦电网发生漏电，就必须停电处理，因而严重影响生产，降低煤矿企业的经济效益。漏电故障的处理少则数小时，长则达几个班次，有的工作面几乎每班都发生漏电停电事故。另一方面，停电使局部通风机停转，通风恶化，瓦斯积聚，反过来又威胁了矿井的安全。
1.6选择性漏电保护的发展现状
漏电保护的主要目的是通过切断电源的操作来防止人身触电伤亡和漏电 电流引爆瓦斯煤尘。我国对漏电保护的研究是从煤矿井下低压电网的漏电保护开 始的，至今已有四十余年的历史。四十年的实践证明，它对我国矿井安全供电发 挥了巨大的作用 。它已成为我国矿井安全供电的不可缺少的组成部分。正因为它在安全供电方面作用重大，因此，漏电保护已陆续在各行各业的供电网中安家落户。早在20世纪30年代，英国就在磁力启动器中装设了漏电保护装置，但这种漏电保护装置只适用于变压器中性点直接接地的供电系统。由于变压器中性点 直接接地供电系统在供电安全方面显示出它的一些弱点，这种供电系统后来在 矿井电网中被逐渐淘汰。1949年前苏联开始研制中性点不接地供电系统使用的 漏电保护装置(PYB型防爆漏电继电器)，采用的是附加直流源的原理。同时，西德、波兰、日本等国也先后开发出适合于本国矿井供电系统的漏电保护装置。我 国在20世纪50年代初，引进了苏联的漏电保护装置，并在矿井中推广应用。同时进行了仿制，形成JY82型隔爆检漏继电器产品，一直延用到80年代末，甚至有的矿井现在还在使用。随着煤炭生产机械化程度的提高，这种产品就逐渐不能 适应生产的要求。因此，60年代我国自行设计和生产了JL80,JL82型隔爆检漏继电器。70年代又研制生产了JJKB30型隔爆检漏继电器，随着科学技术的发展 和矿井电网电压等级的升高，我国自行研制了多种类型的漏电保护装置。
选择性的漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择地发出故障信号 或切断故障支路电源。选择性漏电保护系统是漏电保护技术的发展趋势，是防止人身触电的重要保护措施。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，提高供电的可靠性。选择性漏电保护作为一门综合性学科随着科学技术的进步在不断地发展。
1.7漏电保护的要求
井下的空气潮湿，空间狭窄，尽管在选择电气设备和电缆时对其绝缘性能及等级做了严格要求，运行的电气设备及其供电电缆漏电和单相接地的可能性仍然很大;特别是工作面的电缆，由于移动、被砸、碰、挤压的机会较多，极易损坏，漏电的可能性就更大。一旦发生漏电，就可能导致人身触电、火灾、爆炸，相间短路导致事故扩大等恶性事故，所以，井下许多供电设备规定应装设漏电保护装置。磁力启动器是矿井供电系统中控制电动机的电控设备，其性能优劣直接关系着电动机运行的可靠性和安全性。从漏电保护种类、性能及相关因素对磁力启动器的要求出发，对现有漏电保护方式进行详细分析。漏电保护装置必须具备下列性能，保障系统的可靠性、安全。
(1)可靠性：漏电保护装置的任务是保障供电安全，因此保护动作应可靠，不拒动，也不误动作，也就是说一旦具有动作条件，保护装置应可靠动作，而条件不具备时则不动作。这样才能提高供电系统的本质可靠性，缩短采矿、运输等工程的停工时间，防止事故蔓延，限制故障的破坏范围.
(2)选择性：对设备对地漏电或线路单相接地保护要具有选择性，也称动作的选择性。即按规定的时限仅切断漏电设备或故障线路，并且在故障状态及故障状态以后，不向非损坏接线开关发出切断指令。有了选择性功能以后，在被保护范围以内的故障就能及时地被发现，防止了向事故设备或线路再送电，而在被保护范围以外或无漏电故障时，保护装置不动作，从而提高了可靠性和安全性.
(3)灵敏性：保护装置的灵敏性(也称灵敏度)是指对被保护电气设备可能发生的故障和不正常的运行方式的反应能力。为了使保护装置在故障时能起到保护作用，要求保护装置应有较好的灵敏性。由于灵敏性用灵敏度系数来表示，它决定于在被保护范围内金属性接地时接地电流的计算值与保护装置动作电流值的比值。对于反映中性点绝缘的架空网络为>1.5。电缆网络为:>1.25。变压器低压侧为125--1.5。接地电流的计算值是在基频电流条件下根据最不利的故障形式来确定的。针对网络可能发生的状态，保护装置的灵敏度以大于2为宜，因为在这种条件下，保护装置所处的状态不仅能反映金属性接地故障，而且还能反映接触电阻接地故障，其中单相接地电流的数值比金属性接地电流的数值要小，而且与网络的电容值有关.
(4)快速性：快速切除短路故障可以减轻电流对电气设备的破坏程度，加速恢复供电系统正常运行的过程，减小对用户的影响。要求对于矿井lOkV电压的配电线路，整个切断时间不应超过0.2秒，实际上配电设备开关实际切断时间以及保护装置的动作时间之和可能大于0.2秒，这样就达不到保护效果。为减少动作时间，要求保护装置不应过于复杂，必要时甚至可以通过牺牲保护装置的可靠性达到这一点.
(5)自检性：自检性功能是指在任何时间和条件下，保护装置都能对本身的各个环节及单元的完好情况进行自检，以保证漏电保护装置能时刻有效地对被保护对象的漏电故障进行监测和保护。目前国内外绝大多数的漏电保护装置均具备此功能。对配电要求不高的场合应尽量少使用此功能，甚至简化不用.
(6)闭锁性：漏电闭锁环节是保护网络在送电前发生漏电或运行中发生接地故障跳闸后均能闭锁，不允许在故障状态下合闸送电，以免故障范围扩大.

1.8本文的主要研究内容及工作任务
本论文的研究对象是井下中性点不接地的低压电网系统，研究重点主要放在发生单相漏电故障时。通过对中性点不接地低压电网的漏电分析，提出了基于附加直流电源检测和零序电流方向的漏电保护判据。
将选择性漏电保护理论应用于漏电保护装置之中。根据实验室条件进行了漏电保护原理的实验 。
本文通过对漏电保护原理的认识，模拟漏电故障时产生的零序电流和零序电压，设计选择性漏电保护装置的硬件电路。设计了零序电流和零序电压采集，处理和比较，对故障情况输出电平信号，实现对漏电的保护。
第二章 漏电保护原理
漏电保护的主要目的是防止人身触电和漏电电流引爆瓦斯煤尘，对于中性点不接地的供电单元，漏电保护有多种方式，如附加电源直流检测式、零序功率方向式、人为旁路接地式、自动复电式等等。本章讨论各种漏电保护的原理、整定方法，分析其基本电路的工作原理，并进行评价。在目前国内外技术水平的条件下，只靠一种保护方式已不能构成针对一供电单元的完善的漏电保护系统。
2.1附加电源直流检测式漏电保护
2.1.1保护原理
电网若发生漏电故障，最容易检侧到的是电网各相对地绝缘电阻的下降。可以设想在三相电网中附加一独立的直流电源，使之作用于三相电网与大地之间，这样，在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流通，该电流大小的变化直接反

图2--1附加电源直流检测式漏电保护原理
应了电网对地绝缘电阻的变化，有效地检侧和利用该电流，就可以构成附加电源直流检测式漏电保护。
这种设想的电气原理图如图2-1所示。直流电源Uz:通过由三相电抗器SK所组成的人为中性点(也可以通过变压器中性点N)加在三相电网与地之间，直流电流Iz由电源正极流出人地，经绝缘电阻、、进人三相线路，再由三相电抗器SK.零序电抗器LK、千欧表k (直流毫安表)和直流继电器ZJ返回电源负极。
对于稳定的直流，电容、和电网对地电容Ca,Cb, Cc相当于开路，不会有电流流过，因而Iz可由下式求得，即

式中：--附加直流电源电压，V;
--三相电抗器每相线圈的直流电阻，:
--零序电抗器的直流电阻，;
--直流继电器线圈的支流电阻，;
--接地电阻，;
--、、并联后的总电阻，即

对于直流回路，相当于三相电网各相对地的绝缘电阻并联。若一相〔如a相)绝缘电阻降低，其余两相为正常或无限大，则=，若a, b两相绝缘电阻同时降低，且==r，而c相都为正常或无限大，则 =r/2;若三相绝缘电阻同时下降，且===r,则=r/3
在公式(2-1)中，很小(≤2)可以忽略，而、、和均为定值，若令=+++/3为保护装置(或检漏继电器)的内阻，则该式可化简为

当和一定时，直流继电器ZJ和千欧表中的电流值将随着的值变化，在ZJ被选定后，其动作电流是已知的，因此，当下降到一定程度(漏电故障发生)，使得电流〉时，ZJ便会动作，其常开或常闭接点将接通自动馈电开关的分励脱扣线圈，或断开其无压释放线圈，使自动馈电开关跳闸，而达到漏电保护的目的。
2.1.2动作值整定
作为直流检测型的漏电保护装置(或继电器)，它的动作值应能直接反映电网对地的绝缘状态，所以不能以ZJ的动作电流来作为动作值，而必须以为动作值并加以整定。由于人身安全电流为30mA，故的整定一定要满足人身触电电流≤30mA的条件。
我国井下低压电网现行的直流检测型漏电保护继电器的动作电阻值如表2一1所示。
表2--1漏电保护的动作电阻值

井下低压供电单元的对地电容主要取决于电缆的长度、截面、绝缘材料的厚度和电介质的性质，而长度的变化是最大的，电缆总长度越长，电网对地电容越大，容抗越小，但电网对地容抗的大小并不能表明它是否有漏电故障。因此，这种保护方式的动作电阻值，不应受电网对地阻抗不平衡的影响，在设计保护电路时，应设法不让交流电流通过直流继电器ZJ。图2--1中的就是为此而设置的。联接在零序电抗器LK与大地之间，构成电网对地的交流通路，因电网对地阻抗不平衡而产生的交流电流(零序电流)被旁路入地，不再通过ZJ;另一方面，具有隔直的功能，它本身并不影响ZJ的正常工作，故常称为隔直电容。
2.1.3评价
附加电源直流检测式漏电保护具有以下优点:
保护全面，它的保护范围几乎能覆盖整个低压供电单元，惟一不能保护的是一段数米长的并下动力变压器低压侧至总低压开关的电缆。此外，这种保护方式的动作无死区，故障跳闸不受故障类型(对称的或不对称的)和发生的时间、地点的影响。
对整个供电单元具有电容电流补偿，漏电电流和人身触电电流较小，等于人为地减轻了故障程度。
保护装置为一单独的防爆型电气设备、在电气联接上仅与总开关有连接线，因而不增加供电单元的复杂程度。
这种保护装置与供电单元中各分组馈电开关、磁力起动器中的漏电闭锁单元一起，可以构成一个简单易行、可靠性高、成本低廉且易于查找故障支路的漏电保护系统。
动作值整定简单，数值固定而且能直接反应电网对地的绝缘状况.易于为现场维修人员所接受。
附加电源直流检测式漏电保护的缺点如下:
(1)保护无选择性，即在供电单元内无论何处发生漏电，都将引起总开关跳闸，停电范围大。在保护系统中虽有各处漏电闭锁的配合，但恢复正常部分尤其是远离总开关的配电点等的供电仍需一定时间和工人操作。
(2)电容电流补偿是静态补偿，电感电抗值调定以后就不能随电网对地电容的变化而自动变化，因而不能保证在整个生产过程都达到最佳补偿状态，降低了保护的安全性。此外，若对电网可能的最大电容调节在最佳补偿状态，一旦运行的变化使电容值降低，便会出现过补偿，也并不安全。
(3)保护装置的动作时间较长，当≥1K时，动作时间大于50ms，再加上自动开关的固有分闸时间100~200 rns，故使人的触电时间较长，以30mA· s的标准要求，触电电流应在100mA及以下，因而又加重了电容电流补偿的负担。
(4)这种保护方式对电动机断电后加于电网上的反电势的危害无能为力。根据实测，井下较大容量的660V电动机在断电后1S时的反电势仍达125V以上，故可能对工作人员造成伤害。
2.2零序功率方向式漏电保护
2.2.1保护原理

图2--2放射式供电单元单相接地时的零序电流分布
在中性点不接地的放射式电网中，如果某一支路发生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，漏电电流或人身触电电流。便等于这些零序电流的总和，即等于3。如图2—2所示，从电源的母线往负荷端看，流过故障支路的零序电流，不仅大小而且方向都和非故障支路不同。在故障支路中流过的是各非故障支路零序电流之和，而各非故障支路中流过的只是本支路的零序电流，因而必小于前者。利用装设在各支路的零序电流互感器来反应各支路零序电流的大小，可以做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。
当r→∞时，流过故障支路的零序电流由下式决定，即

式中--故障支路每相对地电容值。
另一方面，故障支路零序电流的方向是由线路流向母线，而各非故障支路的零序电流方向则由母线流向线路并入地，二者的相位基本上是相反的，当电网对地电阻r为无限大时发生单相直接接地故障，二者的相位就恰好相差180°前者滞后零序电压90°，后者超前零序电压90°。利用故障支路和非故障支路零序电流的方向不同也可以做到有选择性的漏电保护，这就是利用零序电流方向的保护原理。
要判明电网中故障时各支路零序电流的方向(相位)，必须要有一个相位不随支路号数而变的参量作为参照，或者说是基准，这个参量就是零序电压。电网发生不对称漏电故障而产生的零序电压是在故障点出现的3个大小相等、相位相同的电压，它们分别作用到三相电网的每一相上，即分布在整个电网中，在变压器中性点处则是3个电压的并联，所以不论在供电单元的任何地方。如变压器中性点、各支路的人为中性点、负荷中性点等处测得的零序电压都是大小相等、相位相同的，这就为利用零序电压的相位为基准来判断零序电流的方向(相位)创造了有利的条件。利用零序电压的大小也可以实现漏电保护，但没有选择性。
利用零序电流或零序电压的幅值大小来判断保护的供电单元内是否发生漏电，同时利用各支路的零序电流与零序电压的相位关系来判断，而后动作，有选择地切除放障支路的电源。这种保护方案就称为零序功率方向式漏电保护，简称方向保护。它之所以称为“零序功率”，是因为它同时利用了零序电流和零序电压两个参量(不一定是幅值相乘的关系)的缘故，实际上是借用了地面功率方向过流保护的称呼。
方向保护的原理如图2--3所示。当电网中某支路发生漏电故障或人身触电事故时，由取样电路分别从电网中取出琴序电压和各支路的零序电流信号，经放大整形后，由相位比较电路来判别故障支路，最后启动执行电路，切断故障支路的电源，从而实现了有选择性的漏电保护。就是对零序电压和零序电流进行幅值和相位综合处理以判断故障支路，进而切除故障支路电源的原理。
零流取样
零压取样
放大整形
相位比较
执行电路

图2--3零序功率方向式漏电保护原理
2.2.2动作值整定
利用零序电流的大小来整定方向保护，首先要确定符合实际的电网对地电容数值范围，因它对零序电流的大小影响最大;其次，还要确定是否要在电网中设置附加接地电容器组，因它增加了对地电容的数值。
实测数据表明，井下660V供电单元，对于固定式矿用变压器，其容量最大为320kV·A，低压电网总长度一般不超出2.5km，每相对地电容不大于0.8uF;对于移动变电站，目前低压为66OV的最大容量为500kV·A，虽然可能采用屏弊型电缆引起对地电容的增加，但其低压电网总长度常小于1km，故实际每相对地电容亦未超过1uF。根据实测数据再考虑附加三相电容器组的增值，就可以确定每相对地电容的变化范围。
采用方向保护是否需要在电网中设置附加接地电容器组，能否设置零序电感支路来补偿对地电容电流，目前还有一些不同的看法。下面分析设置附加电容器组的必要性
采用方向保护若不在供电单元总开关处设置接地电容器组，则有以下问题:
(l)由于流过故障支路零序电流互感器的零序电流是总的零序电流与故障支路本身的零序电流之差，故当供电单元只剩下一条支路运行恰又发生漏电故障时，保护装置不动作。
(2)在混合式供电单元中，若较长的干线发生略小于整定值的漏电，而其他短支路的对地电容又远小于该干线时，则实际渡过零序电流互感器的零序电流就非常小，只能达到几个毫安，这种数量级的电流很容易被电网参数不对称、保护元件参数误差及其他干扰而引起的零序电流所淹没，因而无法鉴别。事实上，如果保护装置作到能灵敏地反应10mA及以下的零序电流，则其误动率将明显增加而难以使用。
(3)对于不设附加接地电容而设电容电流补偿电路的方案，则会使以下两种动作死区的范围扩大。虽然多采用欠补偿，但因供电单元是一随生产情况而变化的动态电网，当运行支路减少到一定程度时，静态的欠补偿就可能变为完全补偿甚至过补偿。这样不仅使保护装置有可能取不出零序电流信号，而且使零序电流的相位又增加了一个变化的因素，使相位的比较鉴别更加困难。所以，在采用方向保护的电网中设置电容电流补偿电路是不可取的。
附加接地电容器组的每相取值原则是:应不小于供电单元中最长一条线路的每相对地电容值，因而根据大多数实际供电单元的情况可取为0.2～0.25uF/相。至此我们可以确定各相对地电容C的合理范围为0.25～1.25uF
具体的零序电流动作值整定数据，一般要考虑与传统的直流检测式漏电保护动作电阻值相适应，因此对于660V电网可取为35mA左右。这一整定值相当于在C=0.25～1.25uF,r→∞情况下，电网单相对地电阻降至10～11KΩ之间，漏电保护装置动作。
关于动作值整定的几点讨论
(1)虚设整定值的概念
35 mA零序电流动作整定值，表面上看是比较适宜。但实际上对保护装置来说是一虚值。从供电单元的整体概念讲。上述整定的具体含义是:当电网总的零序电流达到35 mA时，应立即切断故障支路的电源。在三相对地电容相等的情况，相当于电网发生经10～11kΩ电阻接地的临界漏电故障，这与直流检测式漏电保护的动作电阻值基本吻合。但在工程实际上，装于各支路上的零序电流互感器只能反应流经本支路的零序电流，具体地说，流过故障支路的零序电流是总的零序电流与故障支路本身零序电流之差，因而当保护装置动作时，实际流过零序电流互感器的零序电流必小于前面所确定的35mA动作值。最不利的情况是:在放射式电网中，其他支路均未送电或支路极短，仅有一条较长支路在运行中发生漏电，其对地电容又恰达到电网附加电容的数值。此时流过故障支路的零序电流将等于17.5mA.所以前面所定的35mA动作值实际上是虚设整定值。
(2)真实整定值的选择
根据上面的分析，似乎只需将整定值改为17.5mA就可以将虚设整定值变为真实整定值，其实不然，这就是方向保护动作值整定的复杂所在。随着生产过程的变化，供电单元为一动态电网，其电网长度经常发生变化，从而使电网的r, C值也发生变化，严重影响真实整定值的确定，尤其是C的变化对总的零序电流影响更大。在另一极端，当在一很短的支路上发生漏电故障时，流过故障支路的零序电流就近似等于总的3整定为17.5mA,相应的单相接地过渡电阻值已超出20kΩ，细算为21.5kΩ左右。为了照顾变化的两个极端，真实整定值对于660V电网可整定为20mA，它相当于虚设整定值的数值范围40～20mA，亦即电网正常时发生单相经9～19kΩ电阻接地，保护装置动作。相应的动作电阻值不固定而且变动范围较大是采用零序功率方向式漏电保护的一大缺点。
显然，当发生单相接地或人身触电时，通过故障支路的零序电流将远超过20mA，保护装置必然可靠动作。虽然真实动作值20mA是固定的，即只要该支路零序电流达到20mA保护装置就动作，但在不同的参数组合下，相应的动作电阻却各不相同，其范围为9～19kΩ。而且,在有的情况下虽然Rg已达10kΩ或9.5kΩ,却因故障支路的零序电流达不到20mA而不动作;有的情况下虽然Rg还远高于11kΩ，如17、18kΩ等，却因故障支路的零序电流已超出20mA而动作。如何缩小动作电阻值的范围，很值得作进一步的研讨。
2.2.3评价
零序功率方向式漏电保护具有以下优点:
(1)保护有较强的横向选择性，当支路发生漏电时，停电范围很小;在有提高安全性的措施后，设置延时环节可使保护还具有纵向选择性。
(2)由于没有三相电抗器、零序电抗器等大型元件，故保护装置易于插件化，装设于开关或起动器的隔爆外壳内，不需另加隔爆型电气设备，有利于构成纵、横向都有选择性的漏电保护系统。
(3)这种保护方式既可在变压器中性点不接地的供电系统中使用，又可以在中性点接地的供电系统中使用。
零序功率方向式漏电保护的缺点如下:
(1)只能保护如单相漏电、人身触电和两相漏电等不对称漏电故障，对三相对地阻抗均匀下降等对称