基于數字化防越級跳閘系統的煤礦井下小電流接地選線方法

黃曼青　李峰

摘 要 文章綜合分析了煤礦井下供電系統漏電選線的現狀，針對中性點經消弧線圈接地系統提出了一種基于DMP5000數字化防越級跳閘系統的消弧線圈并聯中值電阻的選線方法。該方法實現了煤礦井下小電流接地的快速、準確選線，具有很高的參考價值和使用價值。

關鍵詞 數字化防越級跳閘系統；煤礦小電流接地選線；并聯中值電阻法

中圖分類號：TD611 文獻標識碼：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，在發生單相接地故障時也將產生較大的零序電流，也容易產生電弧接地，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，相關煤礦安全規程都有明確的規定，例如礦井高壓電網，單相接地電容電流不應超過20A[2]；隨著技術的發展，以及井下供電安全要求的提高，中性點經消弧線圈接地的煤礦供電解決方案已經被普遍采用。在中性點經消弧線圈接地的系統中，消弧線圈與電網對地的分布電容構成并聯諧振回路；當發生單相接地故障時，消弧線圈產生的感性電流將直接補償接地的容性電流，故障點的電流將大大減少，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，在煤礦供電系統中，單相接地故障選線大多以工頻故障量為選線依據，特別是以零序電流變化量為判據的方法。但是，由于消弧線圈的引入，其補償作用可使零序電流變的很小，相位也有可能發生根本變化，使得傳統的選線裝置誤選和漏選的概率明顯增加。

另外，與傳統地面選線系統構成不同的是，井下保護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，并且井下供電系統中多級采區變電所放射性級聯，單臺選線裝置無法滿足整個系統選線的要求，這導致目前煤礦井下供電系統沒有基于系統的小電流選線方法，單相接地時選線準確率很低。

因此，本文結合已有的選線原理的優缺點的比較，基于DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統平臺全系統數據集中共享的特點，采用了消弧線圈并聯中值電阻選線的方法，完成了系統級的選線方案設計，具有很高的實用價值和參考價值。

1 經消弧線圈接地系統單相接地選線方法介紹即選擇

在中性點經消弧線圈接地的系統中，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的地面選線理論的改進，主要利用發生接地故障時系統自身產生的電壓、電流信號，特別是零序電壓、零序電流信號，進行故障選線[3，4]。這些選線理論的基礎大多都是零序電流或者零序電壓的大小或者相位，但是，上文也提到經消弧線圈補償穩定后零序電流的變得很小，相位也有可能發生變化，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結構或者運行方式，以系統該變量為依據進行選線，主要有：注入法、殘留增量法和消弧線圈并聯中值電阻法。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，或者當線路發生非金屬性接地故障，或者發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經消弧線圈接地，且消弧線圈失諧度可調，或者限壓電阻可調的系統中。所以以上兩種方法存在理論上的不足，在現場使用時存在缺陷。

消弧線圈并聯中值電阻法是當發生單相接地時，通過在消弧線圈的兩端短時間內并聯一個中值電阻，適當增大故障線路的零序電流，達到正確選線的目的，其基本結構如圖1所示。在系統正常狀態下，可控開關打開，中值電阻不投入系統中，中性點的消弧線圈跟蹤補償系統的容性電流，雖然系統采用過補償的方式，但是容性電流和感性電流大小上基本相等，方向相反。當發生單相電弧性接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，故障點電流很快減小，電弧也將自動熄滅，故障也隨之消失；當發生永久性接地故障時，消弧線圈立刻進行跟蹤補償，系統達到穩定后，可控開關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別，便于選線。

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

2 系統方案設計

為了實現準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的零序電流。由于煤礦井下供電系統結構復雜，規模龐大，采用常規方法無法實現，為此我們采用了DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統平臺來實現全系統零序電流的同步采樣和數據集中共享，解決了這一業內難題。

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償完成以后，消弧線圈的補償成功與否也要系統提供準確的參數。采基于高速光纖通訊網絡的DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統平臺也能滿足系統對于實時性的嚴酷要求。

2.1 系統架構

考慮到以上設計分析，對消弧線圈并聯中值電阻法進行了設計整合，并結合DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統平臺特點，系統架構如下：DMP5000系統平臺、中值電阻及其控制裝置、消弧線圈自動跟蹤系統及其控制裝置及選線模塊，如圖2所示。

1）DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統。DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統采用分層采集、集中控制的架構體系，基于IEC61850架構，實現煤礦井下供電系統中各供電設備間信息互享和互操作，網絡架構由過程層、間隔層和站控層3個層次構成。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的工業光纖以太網接入，通過高速光纖通訊網絡，能將精確到納秒級同步采樣的井下各開關的電壓電流開關量等數據實時上送至保護主機，即所有電壓、電流的采集和一次設備的操作就地實現，數據在礦用隔爆型光傳輸接口匯總并在網絡上實時發布，全系統保護信息共享，因此解決了井下出線多，線路復雜，保護不能整體配合的問題。系統配置一個全局同步裝置—GPS時鐘服務器，由數據傳輸網絡實現同步控制，同時采用獨創的鏈路補償技術，保證數據同步傳輸不受傳輸距離的影響，所以所有礦用智能保護器采集到的運行數據采樣時刻完全一致。系統采樣速率為12800點/秒，滿足了IEC61850對保護和控制、測量儀表的數據采樣速率要求。endprint

礦用智能保護器安裝于高爆開關內，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主機，保護主機根據相關系統采樣值實時計算系統參數，如系統對地電容大小；當發生單相接地故障時，保護主機會在最短的時間內判斷接地故障的方式，計算中值電阻投入策略，并實時監測所有線路零序電流變化，進行選線，在短時間內完成選線工作，跳開接地線路，切除中值電阻。

在此基礎上，考慮到系統的穩定性和快速性，增加一組獨立的光纖以太網，完成保護主機與中值電阻模塊、消弧線圈模塊的通信，其結構如圖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主機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，可及時通知保護主機，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計，動作速度快，穩定性好，大大減少了裝置的檢修率；控制裝置與保護主機之間采用光纖通信，保證了系統工作的安全性和快速性。

3）消弧線圈自動跟蹤補償及其控制裝置。該部分為補償系統的主要組成部分，包括：自動跟蹤補償消弧線圈，微機控制裝置，限壓阻尼電阻，接地變壓器（系統無中性點時選用），隔離變壓器，避雷針等。系統采用數字化自動跟蹤補償線圈裝置，系統容性電流大小及所需線路信息由保護主機通過光纖實時傳遞給消弧線圈控制裝置，消弧線圈補償動作詳細信息也會通過光纖反應給保護主機，保護主機通過實時監測線路信息以及消弧線圈動作狀態調整系統補償參數。

4）選線模塊。在故障發生時刻，保護主機控制消弧線圈補償和中值電阻投切，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行準確選線。

2.2 本系統方案的優勢

基于系統的上述特點，DMP5150保護主機能夠實時準確計算井下供電系統的線路的對地電容，為消弧線圈自動跟蹤補償提供了可靠依據；基于系統信息的完整性、實時性，在發生單相接地故障時，系統可以準確度判別出故障類型。

系統設計在硬件上，采用了高速光纖通訊和納秒級同步采樣技術，數據的全面性、有效性和實時性都將得到很大提高，同時，采用專用的光纖網絡實現中值電阻控制模塊與保護主機的通訊，最大限度的減少了通訊中的時間誤差；在軟件上，系統設計采用了兩級傳輸網絡，采用獨特的網絡傳輸和流量控制技術，解決了間隔層網絡沖突的問題，提高了帶寬利用率，在傳輸大量數據的同時，保證了數據的同步性和實時性。正是由于以上獨特的設計使得系統的運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，確保了準確的小電流接地選線。

3 小結

結合DMP5000煤礦井下供電數字化防越級跳閘保護系統特點，針對中性點經消弧線圈接地的運行方式，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中值電阻的方法進行了系統設計，其中對中值電阻模塊，系統功能構架都提出了新的思路，實現了煤礦井下系統級小電流接地選線。

參考文獻

[1]方威.礦井供電系統選擇性漏電保護理論及其應用研究[D].江蘇大學，2009.

[2]《煤礦安全規程》讀本[M].北京：煤礦工業出版社，2005.

[3]桑在中，潘貞存，李磊，張慧芬.“S注入法”選線定位原理及應用[J].中國電力，1997（30）：44-45，62.

[4]高玉華.配電網單相接地故障自動隔離與定位技術研究[D].華北電力大學，2006.

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

作者簡介

黃曼青（1975-），2002年7月畢業于合肥工業大學電氣工程學院，電力系統及其自動化專業碩士學位，一直從事電力系統高壓繼電保護裝置、智能變電站系統、煤礦數字化防越級跳閘系統的研發工作。

李峰（1984-），2007年7月畢業于山東大學電氣工程學院，一直從事繼電保護裝置、煤礦數字化防越級跳閘系統方面的工作。endprint