智能變電站的煤礦高壓電網選擇性接地保護研究

范江鋒

摘要：單相接地故障是煤礦電網常見的故障，長時間帶接地故障運行，過電壓可能引起非故障相絕緣擊穿，導致事故擴大，因此必須及時找出并切除接地故障。智能變電站能實現全站信息的共享，因此可以根據共享的信息構造多支路信息綜合保護判據，為解決接地保護無選擇問題提供了新的契機。研究煤礦智能變電站實現煤礦高壓電網選擇性接地保護的方案，證明了它們的準確性和有效性，保證了煤礦高壓電網接地保護的選擇性。

關鍵詞：煤礦高壓電網;選擇性接地保護;智能變電站;

煤礦供電系統的安全性和可靠性是煤礦安全和正常生產的重要保障，由于井下環境復雜、設備工作條件惡劣，導致單相接地故障經常發生[1-2]。單相接地過電壓會嚴重破壞系統的絕緣性能，可能導致絕緣擊穿而引起故障擴大，為了提高供電可靠性，保證非故障區域的正常供電，必須及時找出并有選擇性地切除單相接地故障。目前接地保護的橫向選擇性通過各級接地保護裝置的工作原理實現，上、下級接地保護裝置之間的縱向選擇性主要靠時間差配合來實現，選擇性接地保護采用的原理主要有零序電流原理、零序功率方向原理、首半波原理、諧波電流原理等，這些接地保護原理都有自身的適用范圍和缺陷，經常導致選擇性失效[3-6]。多種保護原理融合的綜合選線原理能很大程度上提高選線的可靠性，但是現有的單臺微機保護裝置只能使用自身獲取的故障信息，無法獲取其他接地保護裝置的信息，因而單臺裝置的信息比較少，無法很好地保證橫向選擇性。由于保護動作值的整定受系統絕緣參數、接地方式等的影響，很難實現上下級的合理配合，因此，單裝置的保護難以保證縱向選擇性。

為了保證接地保護的橫向選擇性和縱向選擇性，應采用集中保護原理，將各配電開關處采集的電氣量集中進行比較，在各保護裝置信息共享的基礎上，構造相應的算法和判據，實現橫向和縱向選擇性，縱向可以保證選擇性接地保護的可靠性，智能變電站技術能夠實現全站底層數據的數字化和共享化，為煤礦高壓電網選擇性接地保護的數字化實現方案提供了支撐。本文提出了零序全電流功率方向多支路綜合判據接地保護技術，實現了煤礦高壓電網接地保護的橫向選擇性，提出了電網拓撲節點優化矩陣算法故障區段定位技術，實現了煤礦高壓電網接地保護的縱向選擇性，并設計了煤礦智能變電站實現選擇性接地保護的方案。

中性點經消弧線圈并電阻接地系統中，消弧線圈過補償、全補償和欠補償程度小時，流過故障支路的零序無功電流矢量的方向在y軸正半軸，當欠補償的程度比較大時，流過故障支路的零序無功電流矢量的方向在y軸負半軸。考慮消弧線圈電阻和線路對地絕緣電阻等造成的有功電流分量，故障線路零序全電流的矢量落在第二象限或第三象限內，而非故障支路零序全電流矢量落在第一象限內。零序全電流矢量關系如圖2所示。

因此，全電流故障選線原理不用區分中性點是不接地方式或經消弧線圈接地方式，根據線路全電流所在的象限判別故障支路，全電流在第一象限的支路判定為非故障支路，否則，判定為故障支路。

對煤礦小電流接地系統的單相接地故障進行故障選線的仿真分析，來驗證零序全電流功率方向原理的可靠性和靈敏性。

設單相接地故障發生在線路L2末端，使用PSCAD圖形顯示窗口觀測各條支路的零序全電流與系統零序電壓的相位關系。

消弧線圈全補償時，設在0.2S時刻發生故障，類型為金屬性接地，各條線路首端零序全電流相對于系統零序電壓的相位。

消弧線圈過補償時，設在0.2S時刻發生故障，故障類型為金屬性接地，線路L2首端零序全電流相對于系統零序電壓的相位。

對中性點不接地系統和經消弧線圈接地系統中經過渡電阻接地、電弧接地故障類型進行仿真，仿真結果表明零序全電流功率方向原理能夠準確選出故障線路也不用區分中性點的接地方式，具有先進性。

煤礦智能變電站在邏輯功能上宜由過程層、間隔層和站控層三層組成，并用過程層網絡和站控層網絡兩層網絡實現連接和通信。煤礦變電站包括地面變電站、井下中央變電站、采區變電站等多個變電站，總的開關間隔數量大（100-200），若將整個煤礦多個變電站建成一個智能變電站，則網絡上的數據流量過大，且網絡的可靠性和信息傳輸的實時性得不到保證，因此宜按照區域集控式智能變電站的建設模式。

集控中心交換機和各變電站交換機之間的組網宜采用雙重化配置的星型光纖以太網，保證信息傳輸的實時性和可靠性，本文實現接地保護對快速性沒有嚴格要求，也可以采用環網方式或其他組網方式，但要保證網絡的可靠性。

煤礦智能變電站，選擇性接地保護是通過各智能站間隔層保護測控裝置和集控中心的故障處理主機配合實現的。各智能變電站能夠不依賴于集控中心獨立完成采集、測量、控制和保護功能，在各變電站間隔層保護測控裝置上配置零序全電流功率方向多支路綜合判據選線軟件，來實現接地保護的橫向選擇性;在集控中心保護主機上配置優化矩陣算法單相接地故障定位軟件，實現全站范圍內故障區段的判斷，保護主機下發閉鎖和允許信號，將故障區段隔離，恢復非故障區域的正常供電，實現接地保護的縱向選擇性。

煤礦智能變電站實現選擇性接地保護的過程為：系統中發生單相接地故障后，保護合并單元采集到的故障信息上傳到間隔層保護測控裝置。各站間隔層保護測控裝置利用本文提出的零序全電流功率方向多支路綜合判據選線軟件實現同一母線上接地保護的選擇性（橫向選擇性）。保護測控裝置同時將該站各保護合并單元的零序全電流相位上傳至地面集控中心保護主機，集控中心保護主機根據各間隔層保護測控裝置上傳的保護合并單元故障信息，構造故障信息矩陣，與網絡結構矩陣進行矩陣運算，得到故障判斷矩陣，從而判斷出故障所在的區段，保護主機向故障所在區段的變電站保護測控裝置下發保護動作允許信號，向其他變電站保護測控裝置下發保護動作閉鎖信號，實現全站范圍內多級線路單相接地保護的選擇性（縱向選擇性）。

結論

本文對煤礦智能變電站全站信息共享實現煤礦高壓電網選擇性接地保護的方案進行了研究，提出了零序全電流功率方向多支路綜合判據選線技術和電網拓撲節點優化矩陣算法故障區段定位技術，算例和仿真證明了其準確性和有效性。本文給出了一種煤礦區域集控式智能變電站的建設模式，并設計了此智能變電站實現選擇性接地保護的方案，對于解決煤礦接地保護無選擇問題做出了有益貢獻。

參考文獻

[1] 李曉陽.煤礦井下供電系統研究[J].中國高新技術企業，2010（4）：195-196.

[2] 董加慶.煤礦6kV供電系統漏電保護研究[D]. 濟南：山東大學，2010.