基于罗氏线圈二次信号的煤矿高压电网接地故障区段定位

庄 伟,牟龙华,童荣斌

(同济大学电气工程系,上海 201804)

基于罗氏线圈二次信号的煤矿高压电网接地故障区段定位

庄 伟,牟龙华,童荣斌

(同济大学电气工程系,上海 201804)

煤矿高压电网的单相接地保护仍需依靠动作时间的级差配合以实现纵向的选择性,这对井下供电安全是潜在的威胁。为此,分析并阐明了煤矿高压电网单相接地故障时各线路区段零序电流的基波有功分量、高次谐波无功分量的分布特点;同时提出将罗氏线圈引入到零序电流信号的检测中,对其二次侧电压信号的幅值与相角特性的分析表明利用罗氏线圈测量零序电流可有效提升谐波分量在被测电流中的含量比例。在此基础上构造了基于罗氏线圈二次侧信号的综合零序电流判据,并给出了煤矿高压电网单相接地故障区段定位算法。该算法不仅可实现无级差的单相接地故障区段定位,而且可有效提高单相接地保护的灵敏度。建立了基于PSCAD/EMTDC的10 kV煤矿高压电网模型,通过典型故障仿真验证了算法的正确性。

补偿电网;煤矿电网;单相接地;罗氏线圈;综合零序电流;故障定位

单相接地(漏电)故障是煤矿井下电网最为常见的故障。根据煤矿安全规程,井下高压电网必须将单相接地电流限制在20 A以下,越来越多的矿井高压电网装设了消弧线圈来限制单相接地电流;地面变电站和井下中央变电所的高压馈电线上,以及采区变电所中供移动变电站的高压馈电线上,均必须装设有选择性的单相接地保护装置。现有的接地选线保护装置虽然利用集中式选线方案实现了横向的选择性,但上下级选线保护之间缺乏信息交互,只能依靠保护动作时间的配合来实现纵向的选择性。由于井下电网工作环境恶劣,延时的存在加大了单相接地故障形成的电弧引起瓦斯与煤尘爆炸的可能性。显然,这对于井下供电安全无疑是一种潜在的威胁。此外,由于消弧线圈的引入,使得传统的基于零序电流方向与大小或零序功率的选线方法失效。文献[1]提出了基于故障分量有功功率与谐波功率融合的选线原理,较好的解决了煤矿井下补偿电网单相接地故障的选线问题。但在某些情况下,零序电流有功分量和谐波信号在零序电流中的比例不大,传统的电磁式零序电流互感器在小信号下精度与线性度不佳,可能造成选线错误。

Rogowski线圈具有精度高、线性度好等优点,作为电流检测工具的传感头被广泛用于电力系统故障检测领域[2]。本文将Rogowski线圈引入到煤矿高压电网零序电流信号检测中,以提高煤矿高压电网的选线准确度。为了实现无级差的单相接地故障区段定位,本文提出了基于罗氏线圈二次侧信号的矿井高压电网单相接地故障区段定位算法。

1 煤矿高压电网中单相接地故障分析

煤矿高压电网是辐射型多段多分支结构的配电网络,在正常运行情况下其典型结构如图1所示。在不影响分析结果的前提下,将图1所示的煤矿高压电网进行简化,得到以集中参数表示的单相接地故障零序等效网络如图2所示。图中,L为消弧线圈电感;R为消弧线圈电阻与并联电阻的等效值。假设线路BH段的F点处发生单相接地故障。其中F为故障点电动势;0F为故障点零序电压;RF为故障点过渡电阻;0BH为该线路首端测得的零序电流,规定电流从母线指向线路为正方向;C0BF和C0FH分别为故障点前后线路的每相对地电容。其余线路区段上同类符号意义相同。

图1 矿井高压电网的结构Fig.1 Structure of high voltage power grid of coalmine

图2 煤矿电网单相接地故障零序等效网络Fig.2 Equivalent zero sequence network of singlephase ground fault in coalmine distribution network

当电网中性点经消弧线圈并联电阻接地时(串联电阻接地方式可等效为并联方式),考虑到电网中谐波成份,根据叠加定理,可得到非故障线路首端的基波(m=1)与m次谐波(m=5,7)零序电流表达式为

其中,L∈{AC,AD,BE,EI,EJ,BG,HK,HL};C0ΣL为该线路及其下游所有线路每相对地电容之和。同样得到故障线路首端的基波与m次谐波零序电流为

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

煤矿电网有着树形的拓扑结构,与配电网一样由有限的节点以及联通它们的分支构成[3],且任意两节点间的联通路径是惟一的。结合式(1)～(3)可知,零序电流中的有功分量通过惟一的路径流向变压器的中性点,经过大地与故障点形成回路。为便于后文论述,将该路径称为故障路径,构成该路径的线路称为故障路径线路,其余线路称为非故障路径线路。图2中,线路AB和BH为故障路径线路,其余均为非故障路径线路。结合图2和式(1)～(3),可得到:

(1)故障路径线路首端测得的零序电流基波的有功分量只取决于和R,故障路径上所有线路的零序电流有功分量相同;非故障路径线路首端测得的零序电流基波的有功分量为0。

(2)m足够大时,故障路径线路首端测得的零序电流m次谐波分量的相位滞后略大于90°;非故障路径线路首端测得的零序电流m次谐波分量的相位近似超前90°。

2 罗氏线圈二次侧信号的特点

与传统的电磁式电流互感器相比,罗氏线圈有更高的测量精度(高于0.1%),更广的测量范围(几安培到数千安培)和频率响应范围(0.1 Hz到超过1 MHz)。对图3所示的罗氏线圈测量电路,R为取样电阻(为保证罗氏线圈工作于微分状态并最小化测量稳态电流的幅值与相角误差,R阻值较大)。

图3 罗氏线圈的测量原理Fig.3 Measurement principle of the Rogowski coil

R上的输出电压v(t)[4]可表示为

其中,μ0为真空磁导率;N为绕组密度;S为线圈截面积;ij(t),j={1,2,…,n},为待测线路中流过的电流;M为线圈互感,M=μ0NS。显然,当待测电流为iA(t),iB(t)和iC(t)时,有

即罗氏线圈的输出电压正比于3倍的零序电流的导数。电网中出现单相接地故障时,考虑基波和5,7次谐波分量的零序电流通用表达式为

其中,I0(DC)和I0(m)分别为零序电流中衰减直流分量与m次谐波分量的幅值;ω1为基波角频率。结合式(4)可知,使用罗氏线圈测量该零序电流其二次侧输出电压如式(6)所示。

由于衰减直流分量可借助相应算法去除,为便于分析,将式(5),(6)简化为

显然,罗氏线圈二次侧电压信号与被测零序电流信号的余弦部分各项之间相位与幅值关系如下。相位关系:

谐波(m=5,7)相对于基波的含量比例关系如式(9)所示。

显然,利用罗氏线圈测量零序电流不仅可正确反映被测电流中各项的相对相位关系,还能有效提升谐波分量在被测电流中的含量比例,有利于提高谐波分量选线判据的灵敏度。

3 基于罗氏线圈二次信号的矿井高压电网接地故障区段定位

3.1 综合零序电流判据

图4 零序基波与谐波电压与电流相量关系Fig.4 Phasors of fundamental and harmonic of zero sequence voltage and current

综上分析可知,故障路径线路的I0(1)_AC与I0(m)_RC均为正值,非故障路径线路的I0(1)_AC与I0(m)_RC分别为0或负值,将其相加融合后可显著拉大故障线路与非故障线路判据值的区别,以提高判据的灵敏度。构造故障路径线路区段的综合零序电流判据如下:

显然,使用一个适当的阈值I0sy_nset(＞0),即可判定某条线路是否属于故障路径线路。由于Is0yn的第2项为基于谐波分量的定位判据,根据第2节的分析,使用罗氏线圈测量零序电流可以显著提升综合零序电流判据的灵敏度。

3.2 煤矿高压电网单相接地故障区段定位判据

目前,小电流接地故障选线装置间缺乏数据交互,其纵向选择性只能依靠动作时间级差来实现。若将故障时各母线及其馈线的零序电压和零序电流信息实现符合IEC61850标准的全网数据共享[7],即可确定故障路径线路,进而确定故障线路段,实现纵向的无级差选择性接地保护。

规定从电源变压器向负载方向为正方向,将配网的L条线路分别编号,保护装置与所在线路编号相同(即l号线路首端装设的保护装置编号为l)。以线路为边,保护装置为节点[8-9],按照式(13)的规则建立配电网结构信息矩阵

其中,l(l=1,2,…,L)为保护装置的编号。其他情况定义为:某些保护装置或通信故障导致节点未能获取正确的综合零序电流信息,此时式(14)将该节点信息设为0。这样虽然扩大了故障范围,但可切除故障区段的上级线路,确保排除故障。计算式(15)

得到行向量

找出Fl=1,l即为故障所在线路的编号。

图5 初始信号i(t)与罗氏线圈二次侧输出信号v(t)Fig.5 Original signal i(t)and secondaryside output v(t)of Rogowski coil

4 实测与算例仿真

4.1 罗氏线圈测量零序电流传变特性实测

使用输入/输出特性为50 A/50 mV的罗氏线圈测量模拟零序电流信号。初始信号i(t)基波分量幅值为30 A,5,7次谐波分量幅值分别为基波的5.3%和1.5%。示波器记录的i(t)与罗氏线圈二次侧输出信号v(t)分别如图5(a)中实线和虚线所示(图5(a)和5(b)均为双纵轴图,左右两侧纵轴分别表示i(t)和v(t)的幅值范围)。录波数据输入Matlab,经截止频率为450 Hz的2阶Butterworth低通滤波器处理后,信号如图5(b)所示。对图5(b)中信号做傅里叶分析,结果见表1,v(t)中基波及各谐波分量与i(t)各对应分量的相位差均为90°左右;v(t)中5,7次谐波的含量与i(t)相比有显著提升,分别为26.15%和10.23%,是初始信号5,7次谐波含量比例的4.93倍与6.82倍。实测数据基本符合式(7)与式(9)的分析。由于本实验使用的罗氏线圈并非针对测量小电流设计,导致实测结果与理论分析结果存在一定的误差。相关研究[5-6,10]表明,使用特殊的制作工艺以及适当的抗干扰措施,可令罗氏线圈测量小电流的精度达到0.2级且有足够的频率范围,完全可满足综合零序电流判据式(12)对测量精度的要求。

表1 i(t)与v(t)的谐波分量含量比例与相位差Table 1 Phase difference and ratio of harmonic com ponent of i(t)and v(t)

4.2 仿真系统

按照图2的电网结构,在PSCAD/EMTDC中搭建煤矿10 kV配电网仿真模型如图6所示。图中,变压器容量为50 MV·A,AC,AD为架空线路,长度均为5 km。其余线路为电缆线路,AB段长3 km;BE, BG,BH段长8 km;EI,EJ,HL,HK段长均为1 km。架空线路参数: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;电缆线路参数: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。全网电容电流为32.42 A。中性点经消弧线圈并联电阻接地,运行于脱谐度为10%的过补偿状态;消弧线圈电感L=0.515 6 H,并联电阻R=1 200Ω[11]。负载Load1,3,5,7为电力电子负载,其余为异步电机负载,系统正常运行时5, 7次电压谐波含量不超过工频量的3.2%[12]。

图6 煤矿10 kV配电网仿真模型Fig.6 Simulation model of coalmine 10 kV distribution network

4.3 算例仿真

算例1:BG段故障。当BG段线路中间出现过渡电阻分别为1,500和1 000Ω的单相接地故障时,各条线路的保护装置测得的综合零序电流判据见表2。根据式(14)计算得到故障特征行向量

由F5=1可知故障位于BG段(5号)线路。

算例2:HL(10号)区段末端故障。当HL段线路末端出现过渡电阻分别为1,500和1 000Ω的单相接地故障时,各条线路的综合零序电流判据见表2。

根据式(14)的计算结果,故障特征行向量为

表2 各线路区段的综合零序电流判据Tab le 2 Syn thetic zero-sequence active pow er of all line sections

此时F6=1,即算法认为故障出现于BH段(6号)线路。虽然故障区域被扩大了,但可确保切除出现故障的HL段线路。有利于及时排除故障,消除安全隐患。

5 结 语

利用罗氏线圈测量零序电流可使零序电流中的高次谐波分量在被测电流中占的比例得到有效放大,有利于提高综合零序电流选线判据的灵敏度。本文在对煤矿高压电网中零序电流的分布特点以及使用罗氏线圈测量该电流所产生的二次侧电压信号的幅值与相角特性进行分析的基础上,提出了基于罗氏线圈二次侧信号综合的零序电流判据,结合配网故障定位通用矩阵,给出了煤矿高压电网单相接地故障区段定位算法,并通过算例验证了该算法的正确性。结合IEC61850标准,该方法可实现煤矿高压电网无级差纵向选择性接地保护。

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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

庄 伟,牟龙华,童荣斌.基于罗氏线圈二次信号的煤矿高压电网接地故障区段定位[J].煤炭学报,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 责任编辑:许书阁

上海市科学技术委员会资助项目(12ZR1451300);上海市教育委员会科研创新资助项目(11CXY12);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(0800219170)

庄 伟(1982—),男,山东济南人,博士研究生。Tel:021-69589871,E-mail:headings@163.com。通讯作者:牟龙华(1963—),男,教授,博士生导师。E-mail:lhmu@vip.163.com