基于数字化防越级跳闸系统的煤矿井下小电流接地选线方法

黄曼青　李峰

摘 要 文章综合分析了煤矿井下供电系统漏电选线的现状，针对中性点经消弧线圈接地系统提出了一种基于DMP5000数字化防越级跳闸系统的消弧线圈并联中值电阻的选线方法。该方法实现了煤矿井下小电流接地的快速、准确选线，具有很高的参考价值和使用价值。

关键词 数字化防越级跳闸系统；煤矿小电流接地选线；并联中值电阻法

中图分类号：TD611 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0085-02

煤矿井下供电大多采用电缆传输，与地面架空输电线路相比，其分布电容要大的多，在发生单相接地故障时也将产生较大的零序电流，也容易产生电弧接地，这都将直接影响井下供电的安全性[1]；因此，对于井下故障时零序电流的大小，相关煤矿安全规程都有明确的规定，例如矿井高压电网，单相接地电容电流不应超过20A[2]；随着技术的发展，以及井下供电安全要求的提高，中性点经消弧线圈接地的煤矿供电解决方案已经被普遍采用。在中性点经消弧线圈接地的系统中，消弧线圈与电网对地的分布电容构成并联谐振回路；当发生单相接地故障时，消弧线圈产生的感性电流将直接补偿接地的容性电流，故障点的电流将大大减少，电弧也将可靠熄灭，因此提高了煤矿井下供电的可靠性。

目前，在煤矿供电系统中，单相接地故障选线大多以工频故障量为选线依据，特别是以零序电流变化量为判据的方法。但是，由于消弧线圈的引入，其补偿作用可使零序电流变的很小，相位也有可能发生根本变化，使得传统的选线装置误选和漏选的概率明显增加。

另外，与传统地面选线系统构成不同的是，井下保护单元必须安装在防爆箱中，各线路零序电流不方便引出到集中地小电流接地选线装置中，并且井下供电系统中多级采区变电所放射性级联，单台选线装置无法满足整个系统选线的要求，这导致目前煤矿井下供电系统没有基于系统的小电流选线方法，单相接地时选线准确率很低。

因此，本文结合已有的选线原理的优缺点的比较，基于DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统平台全系统数据集中共享的特点，采用了消弧线圈并联中值电阻选线的方法，完成了系统级的选线方案设计，具有很高的实用价值和参考价值。

1 经消弧线圈接地系统单相接地选线方法介绍即选择

在中性点经消弧线圈接地的系统中，有效地的接地选线方法可以分为两类：主动式选线和被动式选线。

被动式选线方法大多都是传统的地面选线理论的改进，主要利用发生接地故障时系统自身产生的电压、电流信号，特别是零序电压、零序电流信号，进行故障选线[3，4]。这些选线理论的基础大多都是零序电流或者零序电压的大小或者相位，但是，上文也提到经消弧线圈补偿稳定后零序电流的变得很小，相位也有可能发生变化，因此大大影响了选线的正确率。

主动式选线是通过改变系统结构或者运行方式，以系统该变量为依据进行选线，主要有：注入法、残留增量法和消弧线圈并联中值电阻法。信号注中的注入信号会沿着故障线路注入大地，所以有注入信号流过的线路必定为故障线路。由于线路的对地电容分布不同，或者当线路发生非金属性接地故障，或者发生高阻性永久性接地时，注入信号在故障线路和非故障线路的分布区别并不大，而且随着电缆线路的增长，这种影响更加明显，因此注入法的选线成功率也将随之降低；残留增量法它只适用于中性点经消弧线圈接地，且消弧线圈失谐度可调，或者限压电阻可调的系统中。所以以上两种方法存在理论上的不足，在现场使用时存在缺陷。

消弧线圈并联中值电阻法是当发生单相接地时，通过在消弧线圈的两端短时间内并联一个中值电阻，适当增大故障线路的零序电流，达到正确选线的目的，其基本结构如图1所示。在系统正常状态下，可控开关打开，中值电阻不投入系统中，中性点的消弧线圈跟踪补偿系统的容性电流，虽然系统采用过补偿的方式，但是容性电流和感性电流大小上基本相等，方向相反。当发生单相电弧性接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，故障点电流很快减小，电弧也将自动熄灭，故障也随之消失；当发生永久性接地故障时，消弧线圈立刻进行跟踪补偿，系统达到稳定后，可控开关闭合使中值电阻投入很短的一个时间（大概2-4个周波），其电流流向如图1所示可知，Id=IR+IL+IC，由上文可知IL+IC≈0，所以Id≈IR，即中值电阻投入后，故障线路的零序电流与非故障线路将有明显的区别，便于选线。

由以上介绍可以知，在经消弧线圈接地的系统消弧线圈并联中值电阻的选线方法最为有效，且适用于各种运行情况，因此我们采用这一选线方法。

2 系统方案设计

为了实现准确的小电流接地选线，必须获得所有线路的零序电流以及变压器中性点的零序电流。由于煤矿井下供电系统结构复杂，规模庞大，采用常规方法无法实现，为此我们采用了DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统平台来实现全系统零序电流的同步采样和数据集中共享，解决了这一业内难题。

而且由于中值电阻投入的时间很短，并且井下输电线路很多，所以采样时间的确定对系统的实时性提出了很高的要求；另外中值电阻投入是在消弧线圈补偿完成以后，消弧线圈的补偿成功与否也要系统提供准确的参数。采基于高速光纤通讯网络的DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统平台也能满足系统对于实时性的严酷要求。

2.1 系统架构

考虑到以上设计分析，对消弧线圈并联中值电阻法进行了设计整合，并结合DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统平台特点，系统架构如下：DMP5000系统平台、中值电阻及其控制装置、消弧线圈自动跟踪系统及其控制装置及选线模块，如图2所示。

1）DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统。DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统采用分层采集、集中控制的架构体系，基于IEC61850架构，实现煤矿井下供电系统中各供电设备间信息互享和互操作，网络架构由过程层、间隔层和站控层3个层次构成。过程层与间隔层之间采用高速光纤通讯，站控层采用百兆/千兆自适应的工业光纤以太网接入，通过高速光纤通讯网络，能将精确到纳秒级同步采样的井下各开关的电压电流开关量等数据实时上送至保护主机，即所有电压、电流的采集和一次设备的操作就地实现，数据在矿用隔爆型光传输接口汇总并在网络上实时发布，全系统保护信息共享，因此解决了井下出线多，线路复杂，保护不能整体配合的问题。系统配置一个全局同步装置—GPS时钟服务器，由数据传输网络实现同步控制，同时采用独创的链路补偿技术，保证数据同步传输不受传输距离的影响，所以所有矿用智能保护器采集到的运行数据采样时刻完全一致。系统采样速率为12800点/秒，满足了IEC61850对保护和控制、测量仪表的数据采样速率要求。endprint

矿用智能保护器安装于高爆开关内，实时采集线路零序电流，通过矿用隔爆型光传输接口上传至保护主机，保护主机根据相关系统采样值实时计算系统参数，如系统对地电容大小；当发生单相接地故障时，保护主机会在最短的时间内判断接地故障的方式，计算中值电阻投入策略，并实时监测所有线路零序电流变化，进行选线，在短时间内完成选线工作，跳开接地线路，切除中值电阻。

在此基础上，考虑到系统的稳定性和快速性，增加一组独立的光纤以太网，完成保护主机与中值电阻模块、消弧线圈模块的通信，其结构如图4所示。

2）中值电阻及其控制装置。该控制装置完成固定中值电阻和辅助中值电阻投入和切除的工作，其中值电阻投入策略由保护主机DMP5150生成。同时该装置具备自检的功能，在中值电阻投入故障时，可及时通知保护主机，采用备用的选线逻辑；中值电阻的投入和切除电路采用晶闸管设计，动作速度快，稳定性好，大大减少了装置的检修率；控制装置与保护主机之间采用光纤通信，保证了系统工作的安全性和快速性。

3）消弧线圈自动跟踪补偿及其控制装置。该部分为补偿系统的主要组成部分，包括：自动跟踪补偿消弧线圈，微机控制装置，限压阻尼电阻，接地变压器（系统无中性点时选用），隔离变压器，避雷针等。系统采用数字化自动跟踪补偿线圈装置，系统容性电流大小及所需线路信息由保护主机通过光纤实时传递给消弧线圈控制装置，消弧线圈补偿动作详细信息也会通过光纤反应给保护主机，保护主机通过实时监测线路信息以及消弧线圈动作状态调整系统补偿参数。

4）选线模块。在故障发生时刻，保护主机控制消弧线圈补偿和中值电阻投切，由于中值电阻的投入，使得故障线路的零序电流增大，所以并联中值电阻后采样1-2个周期零序电流，比较基波大小或者变化量即可进行准确选线。

2.2 本系统方案的优势

基于系统的上述特点，DMP5150保护主机能够实时准确计算井下供电系统的线路的对地电容，为消弧线圈自动跟踪补偿提供了可靠依据；基于系统信息的完整性、实时性，在发生单相接地故障时，系统可以准确度判别出故障类型。

系统设计在硬件上，采用了高速光纤通讯和纳秒级同步采样技术，数据的全面性、有效性和实时性都将得到很大提高，同时，采用专用的光纤网络实现中值电阻控制模块与保护主机的通讯，最大限度的减少了通讯中的时间误差；在软件上，系统设计采用了两级传输网络，采用独特的网络传输和流量控制技术，解决了间隔层网络冲突的问题，提高了带宽利用率，在传输大量数据的同时，保证了数据的同步性和实时性。正是由于以上独特的设计使得系统的运行速度得到很大的提高，能够保证中值电阻控制策略的实施，确保了准确的小电流接地选线。

3 小结

结合DMP5000煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统特点，针对中性点经消弧线圈接地的运行方式，综合考虑井下漏电选线方案的可行性，选取了消弧线圈并联中值电阻的方法进行了系统设计，其中对中值电阻模块，系统功能构架都提出了新的思路，实现了煤矿井下系统级小电流接地选线。

参考文献

[1]方威.矿井供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究[D].江苏大学，2009.

[2]《煤矿安全规程》读本[M].北京：煤矿工业出版社，2005.

[3]桑在中，潘贞存，李磊，张慧芬.“S注入法”选线定位原理及应用[J].中国电力，1997（30）：44-45，62.

[4]高玉华.配电网单相接地故障自动隔离与定位技术研究[D].华北电力大学，2006.

[5]潘贞存.消弧线圈自动跟踪补偿与接地选线定位技术的研究[D].山东大学，2006.

作者简介

黄曼青（1975-），2002年7月毕业于合肥工业大学电气工程学院，电力系统及其自动化专业硕士学位，一直从事电力系统高压继电保护装置、智能变电站系统、煤矿数字化防越级跳闸系统的研发工作。

李峰（1984-），2007年7月毕业于山东大学电气工程学院，一直从事继电保护装置、煤矿数字化防越级跳闸系统方面的工作。endprint