莊 偉,牟龍華,童榮斌

(同濟大學(xué)電氣工程系,上海 201804)

基于羅氏線圈二次信號的煤礦高壓電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位

莊 偉,牟龍華,童榮斌

(同濟大學(xué)電氣工程系,上海 201804)

煤礦高壓電網(wǎng)的單相接地保護仍需依靠動作時間的級差配合以實現(xiàn)縱向的選擇性,這對井下供電安全是潛在的威脅。為此,分析并闡明了煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障時各線路區(qū)段零序電流的基波有功分量、高次諧波無功分量的分布特點;同時提出將羅氏線圈引入到零序電流信號的檢測中,對其二次側(cè)電壓信號的幅值與相角特性的分析表明利用羅氏線圈測量零序電流可有效提升諧波分量在被測電流中的含量比例。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于羅氏線圈二次側(cè)信號的綜合零序電流判據(jù),并給出了煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位算法。該算法不僅可實現(xiàn)無級差的單相接地故障區(qū)段定位,而且可有效提高單相接地保護的靈敏度。建立了基于PSCAD/EMTDC的10 kV煤礦高壓電網(wǎng)模型,通過典型故障仿真驗證了算法的正確性。

補償電網(wǎng);煤礦電網(wǎng);單相接地;羅氏線圈;綜合零序電流;故障定位

單相接地(漏電)故障是煤礦井下電網(wǎng)最為常見的故障。根據(jù)煤礦安全規(guī)程,井下高壓電網(wǎng)必須將單相接地電流限制在20 A以下,越來越多的礦井高壓電網(wǎng)裝設(shè)了消弧線圈來限制單相接地電流;地面變電站和井下中央變電所的高壓饋電線上,以及采區(qū)變電所中供移動變電站的高壓饋電線上,均必須裝設(shè)有選擇性的單相接地保護裝置?，F(xiàn)有的接地選線保護裝置雖然利用集中式選線方案實現(xiàn)了橫向的選擇性,但上下級選線保護之間缺乏信息交互,只能依靠保護動作時間的配合來實現(xiàn)縱向的選擇性。由于井下電網(wǎng)工作環(huán)境惡劣,延時的存在加大了單相接地故障形成的電弧引起瓦斯與煤塵爆炸的可能性。顯然,這對于井下供電安全無疑是一種潛在的威脅。此外,由于消弧線圈的引入,使得傳統(tǒng)的基于零序電流方向與大小或零序功率的選線方法失效。文獻(xiàn)[1]提出了基于故障分量有功功率與諧波功率融合的選線原理,較好的解決了煤礦井下補償電網(wǎng)單相接地故障的選線問題。但在某些情況下,零序電流有功分量和諧波信號在零序電流中的比例不大,傳統(tǒng)的電磁式零序電流互感器在小信號下精度與線性度不佳,可能造成選線錯誤。

Rogowski線圈具有精度高、線性度好等優(yōu)點,作為電流檢測工具的傳感頭被廣泛用于電力系統(tǒng)故障檢測領(lǐng)域[2]。本文將Rogowski線圈引入到煤礦高壓電網(wǎng)零序電流信號檢測中,以提高煤礦高壓電網(wǎng)的選線準(zhǔn)確度。為了實現(xiàn)無級差的單相接地故障區(qū)段定位,本文提出了基于羅氏線圈二次側(cè)信號的礦井高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位算法。

1 煤礦高壓電網(wǎng)中單相接地故障分析

煤礦高壓電網(wǎng)是輻射型多段多分支結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò),在正常運行情況下其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在不影響分析結(jié)果的前提下,將圖1所示的煤礦高壓電網(wǎng)進行簡化,得到以集中參數(shù)表示的單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。圖中,L為消弧線圈電感;R為消弧線圈電阻與并聯(lián)電阻的等效值。假設(shè)線路BH段的F點處發(fā)生單相接地故障。其中F為故障點電動勢;0F為故障點零序電壓;RF為故障點過渡電阻;0BH為該線路首端測得的零序電流,規(guī)定電流從母線指向線路為正方向;C0BF和C0FH分別為故障點前后線路的每相對地電容。其余線路區(qū)段上同類符號意義相同。

圖1 礦井高壓電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of high voltage power grid of coalmine

圖2 煤礦電網(wǎng)單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Equivalent zero sequence network of singlephase ground fault in coalmine distribution network

當(dāng)電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地時(串聯(lián)電阻接地方式可等效為并聯(lián)方式),考慮到電網(wǎng)中諧波成份,根據(jù)疊加定理,可得到非故障線路首端的基波(m=1)與m次諧波(m=5,7)零序電流表達(dá)式為

其中,L∈{AC,AD,BE,EI,EJ,BG,HK,HL};C0ΣL為該線路及其下游所有線路每相對地電容之和。同樣得到故障線路首端的基波與m次諧波零序電流為

式中,C0Σ1=C0AC+C0AD;C0Σ2=C0EI+C0EJ+C0BE+C0BG+ C0AB+C0AC+C0AD。

煤礦電網(wǎng)有著樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與配電網(wǎng)一樣由有限的節(jié)點以及聯(lián)通它們的分支構(gòu)成[3],且任意兩節(jié)點間的聯(lián)通路徑是惟一的。結(jié)合式(1)～(3)可知,零序電流中的有功分量通過惟一的路徑流向變壓器的中性點,經(jīng)過大地與故障點形成回路。為便于后文論述,將該路徑稱為故障路徑,構(gòu)成該路徑的線路稱為故障路徑線路,其余線路稱為非故障路徑線路。圖2中,線路AB和BH為故障路徑線路,其余均為非故障路徑線路。結(jié)合圖2和式(1)～(3),可得到:

(1)故障路徑線路首端測得的零序電流基波的有功分量只取決于和R,故障路徑上所有線路的零序電流有功分量相同;非故障路徑線路首端測得的零序電流基波的有功分量為0。

(2)m足夠大時,故障路徑線路首端測得的零序電流m次諧波分量的相位滯后略大于90°;非故障路徑線路首端測得的零序電流m次諧波分量的相位近似超前90°。

2 羅氏線圈二次側(cè)信號的特點

與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比,羅氏線圈有更高的測量精度(高于0.1%),更廣的測量范圍(幾安培到數(shù)千安培)和頻率響應(yīng)范圍(0.1 Hz到超過1 MHz)。對圖3所示的羅氏線圈測量電路,R為取樣電阻(為保證羅氏線圈工作于微分狀態(tài)并最小化測量穩(wěn)態(tài)電流的幅值與相角誤差,R阻值較大)。

圖3 羅氏線圈的測量原理Fig.3 Measurement principle of the Rogowski coil

R上的輸出電壓v(t)[4]可表示為

其中,μ0為真空磁導(dǎo)率;N為繞組密度;S為線圈截面積;ij(t),j={1,2,…,n},為待測線路中流過的電流;M為線圈互感,M=μ0NS。顯然,當(dāng)待測電流為iA(t),iB(t)和iC(t)時,有

即羅氏線圈的輸出電壓正比于3倍的零序電流的導(dǎo)數(shù)。電網(wǎng)中出現(xiàn)單相接地故障時,考慮基波和5,7次諧波分量的零序電流通用表達(dá)式為

其中,I0(DC)和I0(m)分別為零序電流中衰減直流分量與m次諧波分量的幅值;ω1為基波角頻率。結(jié)合式(4)可知,使用羅氏線圈測量該零序電流其二次側(cè)輸出電壓如式(6)所示。

由于衰減直流分量可借助相應(yīng)算法去除,為便于分析,將式(5),(6)簡化為

顯然,羅氏線圈二次側(cè)電壓信號與被測零序電流信號的余弦部分各項之間相位與幅值關(guān)系如下。相位關(guān)系:

諧波(m=5,7)相對于基波的含量比例關(guān)系如式(9)所示。

顯然,利用羅氏線圈測量零序電流不僅可正確反映被測電流中各項的相對相位關(guān)系,還能有效提升諧波分量在被測電流中的含量比例,有利于提高諧波分量選線判據(jù)的靈敏度。

3 基于羅氏線圈二次信號的礦井高壓電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位

3.1 綜合零序電流判據(jù)

圖4 零序基波與諧波電壓與電流相量關(guān)系Fig.4 Phasors of fundamental and harmonic of zero sequence voltage and current

綜上分析可知,故障路徑線路的I0(1)_AC與I0(m)_RC均為正值,非故障路徑線路的I0(1)_AC與I0(m)_RC分別為0或負(fù)值,將其相加融合后可顯著拉大故障線路與非故障線路判據(jù)值的區(qū)別,以提高判據(jù)的靈敏度。構(gòu)造故障路徑線路區(qū)段的綜合零序電流判據(jù)如下:

顯然,使用一個適當(dāng)?shù)拈撝礗0sy_nset(＞0),即可判定某條線路是否屬于故障路徑線路。由于Is0yn的第2項為基于諧波分量的定位判據(jù),根據(jù)第2節(jié)的分析,使用羅氏線圈測量零序電流可以顯著提升綜合零序電流判據(jù)的靈敏度。

3.2 煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位判據(jù)

目前,小電流接地故障選線裝置間缺乏數(shù)據(jù)交互,其縱向選擇性只能依靠動作時間級差來實現(xiàn)。若將故障時各母線及其饋線的零序電壓和零序電流信息實現(xiàn)符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享[7],即可確定故障路徑線路,進而確定故障線路段,實現(xiàn)縱向的無級差選擇性接地保護。

規(guī)定從電源變壓器向負(fù)載方向為正方向,將配網(wǎng)的L條線路分別編號,保護裝置與所在線路編號相同(即l號線路首端裝設(shè)的保護裝置編號為l)。以線路為邊,保護裝置為節(jié)點[8-9],按照式(13)的規(guī)則建立配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息矩陣

其中,l(l=1,2,…,L)為保護裝置的編號。其他情況定義為:某些保護裝置或通信故障導(dǎo)致節(jié)點未能獲取正確的綜合零序電流信息,此時式(14)將該節(jié)點信息設(shè)為0。這樣雖然擴大了故障范圍,但可切除故障區(qū)段的上級線路,確保排除故障。計算式(15)

得到行向量

找出Fl=1,l即為故障所在線路的編號。

圖5 初始信號i(t)與羅氏線圈二次側(cè)輸出信號v(t)Fig.5 Original signal i(t)and secondaryside output v(t)of Rogowski coil

4 實測與算例仿真

4.1 羅氏線圈測量零序電流傳變特性實測

使用輸入/輸出特性為50 A/50 mV的羅氏線圈測量模擬零序電流信號。初始信號i(t)基波分量幅值為30 A,5,7次諧波分量幅值分別為基波的5.3%和1.5%。示波器記錄的i(t)與羅氏線圈二次側(cè)輸出信號v(t)分別如圖5(a)中實線和虛線所示(圖5(a)和5(b)均為雙縱軸圖,左右兩側(cè)縱軸分別表示i(t)和v(t)的幅值范圍)。錄波數(shù)據(jù)輸入Matlab,經(jīng)截止頻率為450 Hz的2階Butterworth低通濾波器處理后,信號如圖5(b)所示。對圖5(b)中信號做傅里葉分析,結(jié)果見表1,v(t)中基波及各諧波分量與i(t)各對應(yīng)分量的相位差均為90°左右;v(t)中5,7次諧波的含量與i(t)相比有顯著提升,分別為26.15%和10.23%,是初始信號5,7次諧波含量比例的4.93倍與6.82倍。實測數(shù)據(jù)基本符合式(7)與式(9)的分析。由于本實驗使用的羅氏線圈并非針對測量小電流設(shè)計,導(dǎo)致實測結(jié)果與理論分析結(jié)果存在一定的誤差。相關(guān)研究[5-6,10]表明,使用特殊的制作工藝以及適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施,可令羅氏線圈測量小電流的精度達(dá)到0.2級且有足夠的頻率范圍,完全可滿足綜合零序電流判據(jù)式(12)對測量精度的要求。

表1 i(t)與v(t)的諧波分量含量比例與相位差Table 1 Phase difference and ratio of harmonic com ponent of i(t)and v(t)

4.2 仿真系統(tǒng)

按照圖2的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),在PSCAD/EMTDC中搭建煤礦10 kV配電網(wǎng)仿真模型如圖6所示。圖中,變壓器容量為50 MV·A,AC,AD為架空線路,長度均為5 km。其余線路為電纜線路,AB段長3 km;BE, BG,BH段長8 km;EI,EJ,HL,HK段長均為1 km。架空線路參數(shù):R0=0.23Ω/km,R1=0.096Ω/km,L0= 3.66 mH/km,L1=1.22 mH/km,C0=0.007μF/km,C1=0.011μF/km;電纜線路參數(shù):R0=0.34Ω/km,R1= 0.11Ω/km,L0=1.54 mH/km,L1=0.52 mH/km,C0= 0.19μF/km,C1=0.29μF/km。全網(wǎng)電容電流為32.42 A。中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地,運行于脫諧度為10%的過補償狀態(tài);消弧線圈電感L=0.515 6 H,并聯(lián)電阻R=1 200Ω[11]。負(fù)載Load1,3,5,7為電力電子負(fù)載,其余為異步電機負(fù)載,系統(tǒng)正常運行時5, 7次電壓諧波含量不超過工頻量的3.2%[12]。

圖6 煤礦10 kV配電網(wǎng)仿真模型Fig.6 Simulation model of coalmine 10 kV distribution network

4.3 算例仿真

算例1:BG段故障。當(dāng)BG段線路中間出現(xiàn)過渡電阻分別為1,500和1 000Ω的單相接地故障時,各條線路的保護裝置測得的綜合零序電流判據(jù)見表2。根據(jù)式(14)計算得到故障特征行向量

由F5=1可知故障位于BG段(5號)線路。

算例2:HL(10號)區(qū)段末端故障。當(dāng)HL段線路末端出現(xiàn)過渡電阻分別為1,500和1 000Ω的單相接地故障時,各條線路的綜合零序電流判據(jù)見表2。

根據(jù)式(14)的計算結(jié)果,故障特征行向量為

表2 各線路區(qū)段的綜合零序電流判據(jù)Tab le 2 Syn thetic zero-sequence active pow er of all line sections

此時F6=1,即算法認(rèn)為故障出現(xiàn)于BH段(6號)線路。雖然故障區(qū)域被擴大了,但可確保切除出現(xiàn)故障的HL段線路。有利于及時排除故障,消除安全隱患。

5 結(jié) 語

利用羅氏線圈測量零序電流可使零序電流中的高次諧波分量在被測電流中占的比例得到有效放大,有利于提高綜合零序電流選線判據(jù)的靈敏度。本文在對煤礦高壓電網(wǎng)中零序電流的分布特點以及使用羅氏線圈測量該電流所產(chǎn)生的二次側(cè)電壓信號的幅值與相角特性進行分析的基礎(chǔ)上,提出了基于羅氏線圈二次側(cè)信號綜合的零序電流判據(jù),結(jié)合配網(wǎng)故障定位通用矩陣,給出了煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位算法,并通過算例驗證了該算法的正確性。結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn),該方法可實現(xiàn)煤礦高壓電網(wǎng)無級差縱向選擇性接地保護。

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Secondary signal of Rogowski coil based ground fault section location in coalm ine high-voltage distribution network

ZHUANGWei,MU Long-hua,TONG Rong-bin
(Department ofElectrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Currently,single-phase ground protection in coalmine high-voltage distribution network still relies on time stage difference coordination to realize the longitudinalselectivity,which poses a potential threat to power supply security.Therefore,distribution characteristics of both the active componentof zero-sequence current fundamentalwave and the reactive component of zero-sequence current harmonic component in the coalmine distribution network were analyzed and elaborated;meanwhile Rogowski coilwas introduced into the detection of zero-sequence current,the analysis of the amplitude and phase angle characters of secondary voltage signal generated in measurement of the zero-sequence current using Rogowski coil shows that the percentage of zero-sequence current harmonic component in the current beingmeasured can be effectively amplified when measured by Rogowski coil.On this basis,the criterion of synthetic zero-sequence current based on the secondary signal of Rogowski coil is proposed,and the algorithm of single-phase ground fault section location in coalmine high-voltage distribution network is presented.This algorithm not only achieves location of single-phase ground fault section without stage difference coordination,but also effectively im-proves the sensitivity of the single-phase ground protection.The correctness of the proposed algorithm is verified by typical single-phase grounding fault simulation in 10 kV coalmines high-voltage distribution network system in PSCAD/EMTDC.

compensating distribution network;coalmine power network;single-phase grounding;Rogowski coil;synthetic zero-sequence current;fault section location

TM77

A

0253-9993(2014)06-1184-07

莊 偉,牟龍華,童榮斌.基于羅氏線圈二次信號的煤礦高壓電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位[J].煤炭學(xué)報,2014,39(6):1184-1190.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0796

ZhuangWei,Mu Longhua,Tong Rongbin.Secondary signal of Rogowski coil based ground fault section location in coalm ine high-voltage distribution network[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1184-1190.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0796

2013-06-09 責(zé)任編輯:許書閣

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目(12ZR1451300);上海市教育委員會科研創(chuàng)新資助項目(11CXY12);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(0800219170)

莊 偉(1982—),男,山東濟南人,博士研究生。Tel:021-69589871,E-mail:headings@163.com。通訊作者:牟龍華(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:lhmu@vip.163.com