黃曼青　李峰

摘 要 文章綜合分析了煤礦井下供電系統(tǒng)漏電選線的現(xiàn)狀，針對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)提出了一種基于DMP5000數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)的消弧線圈并聯(lián)中值電阻的選線方法。該方法實現(xiàn)了煤礦井下小電流接地的快速、準(zhǔn)確選線，具有很高的參考價值和使用價值。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)；煤礦小電流接地選線；并聯(lián)中值電阻法

中圖分類號：TD611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0085-02

煤礦井下供電大多采用電纜傳輸，與地面架空輸電線路相比，其分布電容要大的多，在發(fā)生單相接地故障時也將產(chǎn)生較大的零序電流，也容易產(chǎn)生電弧接地，這都將直接影響井下供電的安全性[1]；因此，對于井下故障時零序電流的大小，相關(guān)煤礦安全規(guī)程都有明確的規(guī)定，例如礦井高壓電網(wǎng)，單相接地電容電流不應(yīng)超過20A[2]；隨著技術(shù)的發(fā)展，以及井下供電安全要求的提高，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的煤礦供電解決方案已經(jīng)被普遍采用。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，消弧線圈與電網(wǎng)對地的分布電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈產(chǎn)生的感性電流將直接補(bǔ)償接地的容性電流，故障點(diǎn)的電流將大大減少，電弧也將可靠熄滅，因此提高了煤礦井下供電的可靠性。

目前，在煤礦供電系統(tǒng)中，單相接地故障選線大多以工頻故障量為選線依據(jù)，特別是以零序電流變化量為判據(jù)的方法。但是，由于消弧線圈的引入，其補(bǔ)償作用可使零序電流變的很小，相位也有可能發(fā)生根本變化，使得傳統(tǒng)的選線裝置誤選和漏選的概率明顯增加。

另外，與傳統(tǒng)地面選線系統(tǒng)構(gòu)成不同的是，井下保護(hù)單元必須安裝在防爆箱中，各線路零序電流不方便引出到集中地小電流接地選線裝置中，并且井下供電系統(tǒng)中多級采區(qū)變電所放射性級聯(lián)，單臺選線裝置無法滿足整個系統(tǒng)選線的要求，這導(dǎo)致目前煤礦井下供電系統(tǒng)沒有基于系統(tǒng)的小電流選線方法，單相接地時選線準(zhǔn)確率很低。

因此，本文結(jié)合已有的選線原理的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，基于DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)平臺全系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中共享的特點(diǎn)，采用了消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線的方法，完成了系統(tǒng)級的選線方案設(shè)計，具有很高的實用價值和參考價值。

1 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地選線方法介紹即選擇

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，有效地的接地選線方法可以分為兩類：主動式選線和被動式選線。

被動式選線方法大多都是傳統(tǒng)的地面選線理論的改進(jìn)，主要利用發(fā)生接地故障時系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電壓、電流信號，特別是零序電壓、零序電流信號，進(jìn)行故障選線[3，4]。這些選線理論的基礎(chǔ)大多都是零序電流或者零序電壓的大小或者相位，但是，上文也提到經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償穩(wěn)定后零序電流的變得很小，相位也有可能發(fā)生變化，因此大大影響了選線的正確率。

主動式選線是通過改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或者運(yùn)行方式，以系統(tǒng)該變量為依據(jù)進(jìn)行選線，主要有：注入法、殘留增量法和消弧線圈并聯(lián)中值電阻法。信號注中的注入信號會沿著故障線路注入大地，所以有注入信號流過的線路必定為故障線路。由于線路的對地電容分布不同，或者當(dāng)線路發(fā)生非金屬性接地故障，或者發(fā)生高阻性永久性接地時，注入信號在故障線路和非故障線路的分布區(qū)別并不大，而且隨著電纜線路的增長，這種影響更加明顯，因此注入法的選線成功率也將隨之降低；殘留增量法它只適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，且消弧線圈失諧度可調(diào)，或者限壓電阻可調(diào)的系統(tǒng)中。所以以上兩種方法存在理論上的不足，在現(xiàn)場使用時存在缺陷。

消弧線圈并聯(lián)中值電阻法是當(dāng)發(fā)生單相接地時，通過在消弧線圈的兩端短時間內(nèi)并聯(lián)一個中值電阻，適當(dāng)增大故障線路的零序電流，達(dá)到正確選線的目的，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)正常狀態(tài)下，可控開關(guān)打開，中值電阻不投入系統(tǒng)中，中性點(diǎn)的消弧線圈跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng)的容性電流，雖然系統(tǒng)采用過補(bǔ)償?shù)姆绞?，但是容性電流和感性電流大小上基本相等，方向相反。?dāng)發(fā)生單相電弧性接地故障時，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障點(diǎn)電流很快減小，電弧也將自動熄滅，故障也隨之消失；當(dāng)發(fā)生永久性接地故障時，消弧線圈立刻進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，可控開關(guān)閉合使中值電阻投入很短的一個時間（大概2-4個周波），其電流流向如圖1所示可知，Id=IR+IL+IC，由上文可知IL+IC≈0，所以Id≈IR，即中值電阻投入后，故障線路的零序電流與非故障線路將有明顯的區(qū)別，便于選線。

由以上介紹可以知，在經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)消弧線圈并聯(lián)中值電阻的選線方法最為有效，且適用于各種運(yùn)行情況，因此我們采用這一選線方法。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的小電流接地選線，必須獲得所有線路的零序電流以及變壓器中性點(diǎn)的零序電流。由于煤礦井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大，采用常規(guī)方法無法實現(xiàn)，為此我們采用了DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)平臺來實現(xiàn)全系統(tǒng)零序電流的同步采樣和數(shù)據(jù)集中共享，解決了這一業(yè)內(nèi)難題。

而且由于中值電阻投入的時間很短，并且井下輸電線路很多，所以采樣時間的確定對系統(tǒng)的實時性提出了很高的要求；另外中值電阻投入是在消弧線圈補(bǔ)償完成以后，消弧線圈的補(bǔ)償成功與否也要系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的參數(shù)。采基于高速光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)平臺也能滿足系統(tǒng)對于實時性的嚴(yán)酷要求。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到以上設(shè)計分析，對消弧線圈并聯(lián)中值電阻法進(jìn)行了設(shè)計整合，并結(jié)合DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)平臺特點(diǎn)，系統(tǒng)架構(gòu)如下：DMP5000系統(tǒng)平臺、中值電阻及其控制裝置、消弧線圈自動跟蹤系統(tǒng)及其控制裝置及選線模塊，如圖2所示。

1）DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)。DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用分層采集、集中控制的架構(gòu)體系，基于IEC61850架構(gòu)，實現(xiàn)煤礦井下供電系統(tǒng)中各供電設(shè)備間信息互享和互操作，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由過程層、間隔層和站控層3個層次構(gòu)成。過程層與間隔層之間采用高速光纖通訊，站控層采用百兆/千兆自適應(yīng)的工業(yè)光纖以太網(wǎng)接入，通過高速光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，能將精確到納秒級同步采樣的井下各開關(guān)的電壓電流開關(guān)量等數(shù)據(jù)實時上送至保護(hù)主機(jī)，即所有電壓、電流的采集和一次設(shè)備的操作就地實現(xiàn)，數(shù)據(jù)在礦用隔爆型光傳輸接口匯總并在網(wǎng)絡(luò)上實時發(fā)布，全系統(tǒng)保護(hù)信息共享，因此解決了井下出線多，線路復(fù)雜，保護(hù)不能整體配合的問題。系統(tǒng)配置一個全局同步裝置—GPS時鐘服務(wù)器，由數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)同步控制，同時采用獨(dú)創(chuàng)的鏈路補(bǔ)償技術(shù)，保證數(shù)據(jù)同步傳輸不受傳輸距離的影響，所以所有礦用智能保護(hù)器采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣時刻完全一致。系統(tǒng)采樣速率為12800點(diǎn)/秒，滿足了IEC61850對保護(hù)和控制、測量儀表的數(shù)據(jù)采樣速率要求。endprint

礦用智能保護(hù)器安裝于高爆開關(guān)內(nèi)，實時采集線路零序電流，通過礦用隔爆型光傳輸接口上傳至保護(hù)主機(jī)，保護(hù)主機(jī)根據(jù)相關(guān)系統(tǒng)采樣值實時計算系統(tǒng)參數(shù)，如系統(tǒng)對地電容大小；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，保護(hù)主機(jī)會在最短的時間內(nèi)判斷接地故障的方式，計算中值電阻投入策略，并實時監(jiān)測所有線路零序電流變化，進(jìn)行選線，在短時間內(nèi)完成選線工作，跳開接地線路，切除中值電阻。

在此基礎(chǔ)上，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，增加一組獨(dú)立的光纖以太網(wǎng)，完成保護(hù)主機(jī)與中值電阻模塊、消弧線圈模塊的通信，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2）中值電阻及其控制裝置。該控制裝置完成固定中值電阻和輔助中值電阻投入和切除的工作，其中值電阻投入策略由保護(hù)主機(jī)DMP5150生成。同時該裝置具備自檢的功能，在中值電阻投入故障時，可及時通知保護(hù)主機(jī)，采用備用的選線邏輯；中值電阻的投入和切除電路采用晶閘管設(shè)計，動作速度快，穩(wěn)定性好，大大減少了裝置的檢修率；控制裝置與保護(hù)主機(jī)之間采用光纖通信，保證了系統(tǒng)工作的安全性和快速性。

3）消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償及其控制裝置。該部分為補(bǔ)償系統(tǒng)的主要組成部分，包括：自動跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，微機(jī)控制裝置，限壓阻尼電阻，接地變壓器（系統(tǒng)無中性點(diǎn)時選用），隔離變壓器，避雷針等。系統(tǒng)采用數(shù)字化自動跟蹤補(bǔ)償線圈裝置，系統(tǒng)容性電流大小及所需線路信息由保護(hù)主機(jī)通過光纖實時傳遞給消弧線圈控制裝置，消弧線圈補(bǔ)償動作詳細(xì)信息也會通過光纖反應(yīng)給保護(hù)主機(jī)，保護(hù)主機(jī)通過實時監(jiān)測線路信息以及消弧線圈動作狀態(tài)調(diào)整系統(tǒng)補(bǔ)償參數(shù)。

4）選線模塊。在故障發(fā)生時刻，保護(hù)主機(jī)控制消弧線圈補(bǔ)償和中值電阻投切，由于中值電阻的投入，使得故障線路的零序電流增大，所以并聯(lián)中值電阻后采樣1-2個周期零序電流，比較基波大小或者變化量即可進(jìn)行準(zhǔn)確選線。

2.2 本系統(tǒng)方案的優(yōu)勢

基于系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，DMP5150保護(hù)主機(jī)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確計算井下供電系統(tǒng)的線路的對地電容，為消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償提供了可靠依據(jù)；基于系統(tǒng)信息的完整性、實時性，在發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確度判別出故障類型。

系統(tǒng)設(shè)計在硬件上，采用了高速光纖通訊和納秒級同步采樣技術(shù)，數(shù)據(jù)的全面性、有效性和實時性都將得到很大提高，同時，采用專用的光纖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中值電阻控制模塊與保護(hù)主機(jī)的通訊，最大限度的減少了通訊中的時間誤差；在軟件上，系統(tǒng)設(shè)計采用了兩級傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)傳輸和流量控制技術(shù)，解決了間隔層網(wǎng)絡(luò)沖突的問題，提高了帶寬利用率，在傳輸大量數(shù)據(jù)的同時，保證了數(shù)據(jù)的同步性和實時性。正是由于以上獨(dú)特的設(shè)計使得系統(tǒng)的運(yùn)行速度得到很大的提高，能夠保證中值電阻控制策略的實施，確保了準(zhǔn)確的小電流接地選線。

3 小結(jié)

結(jié)合DMP5000煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)，針對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，綜合考慮井下漏電選線方案的可行性，選取了消弧線圈并聯(lián)中值電阻的方法進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，其中對中值電阻模塊，系統(tǒng)功能構(gòu)架都提出了新的思路，實現(xiàn)了煤礦井下系統(tǒng)級小電流接地選線。

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[5]潘貞存.消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償與接地選線定位技術(shù)的研究[D].山東大學(xué)，2006.

作者簡介

黃曼青（1975-），2002年7月畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士學(xué)位，一直從事電力系統(tǒng)高壓繼電保護(hù)裝置、智能變電站系統(tǒng)、煤礦數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)的研發(fā)工作。

李峰（1984-），2007年7月畢業(yè)于山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，一直從事繼電保護(hù)裝置、煤礦數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)方面的工作。endprint