煤礦高低壓接地補(bǔ)償系統(tǒng)存在的問題及一種新的解決途徑

（1、泰安開發(fā)區(qū)魯興測控設(shè)備研究所，山東 泰安 271000；2、平煤集團(tuán)機(jī)電處，河南 平頂山 467000；3、淄博光正集團(tuán)，山東 淄博

255000；4、開灤集團(tuán)錢家營礦，河北 唐山 063301）

摘要：闡明消弧線圈（諧振）接地補(bǔ)償系統(tǒng)通常采用過補(bǔ)償運行的原因，指出我國煤礦高低壓補(bǔ)償系統(tǒng)目前較普遍存在的幾個問題，進(jìn)而提出解決問題的一種新途徑——零序基波“時序鑒別選線法”，簡介了基于此方法的單相接地選線裝置構(gòu)成原理和實用效果。

關(guān)鍵詞：中性點非直接地系統(tǒng)；消弧線圈；補(bǔ)償系統(tǒng)；單相接地故障選線

一、何謂接地補(bǔ)償系統(tǒng)

我國煤礦6～10KV電網(wǎng)均為中性點非直接接地系統(tǒng)，主要包括中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。其中，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，常稱為諧振接地系統(tǒng)；因為消弧線圈是接地故障（容性電流）的補(bǔ)償裝置，故又稱為接地補(bǔ)償系統(tǒng)。與之相類似，煤礦井下380～1140V電網(wǎng)也是中性點不接地系統(tǒng)，但因JY82、JL82、JJKB30等檢漏繼電器中都設(shè)有補(bǔ)償?shù)蛪弘娋W(wǎng)容性漏電電流的零序電抗器，故也屬于補(bǔ)償系統(tǒng)。

補(bǔ)償系統(tǒng)有三種不同的運行方式，即（1）欠補(bǔ)償（IL＜IC），（2）過補(bǔ)償（IL﹥IC），（3）全補(bǔ)償（也稱等補(bǔ)償，IL=IC）。

對于6～10KV高壓補(bǔ)償系統(tǒng)，全補(bǔ)償運行方式是必須避免的，因為系統(tǒng)處于全補(bǔ)償時，無論三相電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱電壓的大小如何，都將會因為發(fā)生串聯(lián)諧振而使消弧線圈感受很高的電壓。在高壓補(bǔ)償系統(tǒng)中，欠補(bǔ)償運行方式也存在著不少的缺陷，這不僅僅是因為當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)正常拉路或事故跳閘時，有可能使系統(tǒng)由欠補(bǔ)償演變?yōu)槿a(bǔ)償。因此，我國6～10KV補(bǔ)償系統(tǒng)一般都采用過補(bǔ)償運行方式，尤其是石油、化工和電業(yè)系統(tǒng)。

二、中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)為何普遍采用過補(bǔ)償運行方式

對于“中性點經(jīng)消弧線圈接地運行方式”這一問題，許多文獻(xiàn)都有論述，尤其國家電力調(diào)度通訊中心編寫的《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實用技術(shù)問答》（第二版）P11～12作了更為明確肯定的回答。即中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)實際上一般都采用過補(bǔ)償?shù)倪\行方式，其主要原因有以下五點：

（1）在欠補(bǔ)償電網(wǎng)中，當(dāng)電網(wǎng)中因故障或其它原因而切除部分線路后，就有可能形成全補(bǔ)償?shù)倪\行方式而造成串聯(lián)諧振，引起很高的中性點位移電壓與過電壓，從而危及系統(tǒng)絕緣。只要采用欠補(bǔ)償?shù)倪\行方式，這一缺點就無法避免。

（2）在正常運行時，欠補(bǔ)償電網(wǎng)如果三相不對稱度較大，則消弧線圈（它的ωL﹥1/3ωC0）和線路電容3C0之間，就有可能發(fā)生鐵磁諧振，從而引起數(shù)值較大的鐵磁諧振過電壓。而如采用過補(bǔ)償?shù)倪\行方式，就不會出現(xiàn)這種鐵磁諧振現(xiàn)象。

（3）電力系統(tǒng)往往是不斷擴(kuò)展的，電網(wǎng)的對地電容亦將隨之增大。如果采用過補(bǔ)償，原裝的消弧線圈仍可以繼續(xù)使用一段時期，至多是由過補(bǔ)償轉(zhuǎn)變?yōu)榍费a(bǔ)償運行；但如果原來就采用欠補(bǔ)償?shù)倪\行方式，則系統(tǒng)一有發(fā)展就必須立即增加補(bǔ)償容量。

（4）過補(bǔ)償電網(wǎng)中流過接地點的是電感電流，使熄弧后故障相電壓恢復(fù)速度減慢，因而使接地電弧不易重燃。

（5）電力系統(tǒng)有時會出現(xiàn)瞬間性頻率下降，如果采用欠補(bǔ)償，這將使之趨向全補(bǔ)償，從而引起中性點位移電壓的增大；而若采用過補(bǔ)償只能使過補(bǔ)償度暫時增大，對正常運行沒有影響。

著名學(xué)者要煥年編著的《電力系統(tǒng)諧振接地》一書P52又指出“當(dāng)消弧線圈在諧振點附近運行時，從熄滅接地電弧方面考慮，過補(bǔ)償與欠補(bǔ)償幾乎沒有差別，但是從斷線過電壓方面考慮，兩者卻差別很大，即使采用自動消弧線圈，兩者也不盡相同。所以，電網(wǎng)在正常運行的情況下，消弧線圈應(yīng)適當(dāng)過補(bǔ)償運行?！?

總之，即使是自動跟蹤調(diào)諧的消弧線圈，最好的運行方案是在過補(bǔ)償區(qū)域跟蹤調(diào)諧，正常運行時，使消弧線圈運行在遠(yuǎn)離諧振點的最大過補(bǔ)償狀態(tài)；而當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，迅速向全補(bǔ)償方向調(diào)節(jié)，使脫諧度接近于零，使過補(bǔ)償度不大于5%，使故障點的殘流減為5A左右，促使接地電流自動熄滅；待故障消失，電網(wǎng)恢復(fù)正常運行后，再使消弧線圈恢復(fù)最大過補(bǔ)償狀態(tài)運行。

三、煤礦高、低壓補(bǔ)償系統(tǒng)目前存在的幾個問題

1、煤礦6～10KV系統(tǒng)目前存在的問題是：

（一）單相接地容性電流超出《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定值20A的不少礦井，至今沒有采用消弧線圈補(bǔ)償措施以限制接地漏電電流。

（二）已經(jīng)使用了消弧線圈補(bǔ)償?shù)拿旱V，絕大多數(shù)并不是正確采用過補(bǔ)償運行方式，而是采用欠補(bǔ)償運行，包括自動跟蹤欠補(bǔ)償方式。

（三）煤礦的繼續(xù)工程教育和安全培訓(xùn)的內(nèi)容存在缺陷，致使有些機(jī)電技術(shù)人員乃至有些負(fù)責(zé)供電的技術(shù)干部，對消弧線圈過補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點和欠補(bǔ)償?shù)娜毕莶粔蛄私猓械纳踔琳`認(rèn)為欠補(bǔ)償比過補(bǔ)償更可靠與安全，從而在選購新的消弧線圈和訂購小電流接地選線裝置時，依然按欠補(bǔ)償方案操辦。有個別機(jī)電技術(shù)干部，還把靜電電容器的“補(bǔ)償”作用與消弧線圈的“補(bǔ)償”作用相混淆。

2、煤礦380～660V低壓補(bǔ)償系統(tǒng)存在的主要問題，是低壓選擇性漏電保護(hù)與零序電抗器可能出現(xiàn)過補(bǔ)償運行方式之間存在的矛盾沒有得到解決?，F(xiàn)有低壓選漏保護(hù)裝置一般都采用零序功率方向原理或相敏比較原理，在系統(tǒng)存在JY82的零序電抗器的情況下，即使通常是欠補(bǔ)償運行，也使本來就很小的漏電電流變得更加微小，加上要求漏電保護(hù)動作速度非?？欤?0ms之內(nèi)），這就使得現(xiàn)有選漏裝置難以通過微弱的零序電流信號鑒別出正常支路與故障支路，因而難免出現(xiàn)誤動或選擇不準(zhǔn)確等現(xiàn)象。尤其是當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)有若干支路因正常停電或故障跳閘而使零序電抗器變成過補(bǔ)償?shù)那闆r下，此時再發(fā)生單相接地漏電，則現(xiàn)有基于零序功率方向或相敏保護(hù)原理的低壓選漏裝置便失去選擇性。因此，現(xiàn)有這類選漏裝置在實際應(yīng)用中，要么存在保護(hù)的“死區(qū)”（當(dāng)過補(bǔ)償時），要么不得不以犧牲JY82中的零序電抗器補(bǔ)償功能為代價。應(yīng)當(dāng)指出，從安全的意義上說，當(dāng)JY82用作低壓選漏保護(hù)的總后備保護(hù)時，其內(nèi)的零序電抗器補(bǔ)償作用是絕對不應(yīng)該廢除的。

四、解決問題的一種新途徑

6～10KV消弧線圈接地補(bǔ)償系統(tǒng)，由于通常都采用過補(bǔ)償運行，使得所有基于零序功率方向原理或比幅、比相原理的小電流接地選線裝置或高壓漏電保護(hù)裝置全部失去功用。但近十多年來，國內(nèi)外專家、學(xué)者研制出好幾種基于不同思路和工作原理的新型接地選線裝置，可以用來與常為過補(bǔ)償運行方式的消弧線圈配套使用。這些可在諧振接地系統(tǒng)過補(bǔ)償狀態(tài)下實現(xiàn)單相接地故障的選線方法主要有：信號注入法、五次諧波分量法、首半波法、零序?qū)Ъ{法、有功分量法、負(fù)序分量法、能量法、模式識別法，小波分析法等。

低壓中性點不接地而帶有零序電抗器補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)中，目前還沒有發(fā)現(xiàn)有同高壓諧振接地系統(tǒng)中相類似的選線原理及其構(gòu)成的選漏裝置，也就是說，低壓電網(wǎng)在零序電抗器過補(bǔ)償情況下，目前還沒有別的能解決問題的選漏方法及裝置。

值得引起注意的是：縱觀國內(nèi)外的高壓接地選線和低壓選漏保護(hù)各種方法，至今還沒有發(fā)現(xiàn)別的可以利用零序電流基波實現(xiàn)過補(bǔ)償電網(wǎng)接地漏電選擇性保護(hù)的先例；并且近幾年來不少業(yè)內(nèi)人士在他們的文章中常有類似“經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)，基波不再滿足選線判據(jù)”之類的

“結(jié)論” 。（見《繼電器》2004（18）論文“非直接接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述”的結(jié)論2，P77）

魯興測控設(shè)備研究所經(jīng)多年的研究與實驗，打破“常規(guī)”，首次直接采用零序電流和零序電壓的基波信號，在中性點經(jīng)消弧線圈（或零序電抗器）接地系統(tǒng)處于過補(bǔ)償狀態(tài)下，實現(xiàn)了單相接地漏電故障的準(zhǔn)確選線。這是對消弧線圈（或零序電抗器）過補(bǔ)償電網(wǎng)實現(xiàn)單相接地漏電準(zhǔn)確選線的理論與方法的一個突破與創(chuàng)新。用以實現(xiàn)這個突破與創(chuàng)新的主要途徑就是基于零序基波的“時序鑒別選線法”（發(fā)明專利已公報）。

五、時序鑒別選線法及其特點與優(yōu)點

所謂“時序鑒別選線法”，就是直接利用諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的零序電流基波，經(jīng)濾波、鑒幅、整形、光隔后形成的脈寬可變的方波I0，和零序電壓基波經(jīng)濾波、移相、整形、光隔后形成的脈寬固定的180度方波U0J，直接進(jìn)行時序鑒別。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，若某線路的零序電流基波和零序電壓基波的方波信號同時滿足以下兩個條件，則該線路就是單相接地故障線路，如圖1中a與b所示。這兩個條件是：

（1）零序電流I0上升沿滯后于零序電壓U0J上升沿而超前零序電壓U0J下降沿，即零序電流I0上升沿界于零序電壓U0J的上升沿與下降沿之間；

（2）零序電流I0下降沿滯后于零序電壓U0J下降沿須大于0度而小于180度。

不能同時滿足上述兩個條件的線路，就是非故障線路，如圖1中的c、d、e所示。

這就是應(yīng)用零序電流和零序電壓基波，通過“時序鑒別法”進(jìn)行單相接地漏電故障選線的判據(jù)。

顯然，“時序鑒別法”和通常的相對相位法（比相法）之間，或者說“時序鑒別原理”與零序功率方向原理之間，有根本的區(qū)別。例如圖1中d所示的I0與U0J的方波關(guān)系，完全符合接地故障線路零序功率方向法的判別原理，但不符合接地故障線路的時序鑒別法則；也就是說，圖1中d所示的I0和U0J的波形關(guān)系，運用零序功率方向原理應(yīng)判定為故障線路，而運用時序鑒別原理則應(yīng)判為非故障線路。

第二、“時序鑒別法”也與有些文章提到的零序電流和零序電壓的“相位差判別法”不同，因為兩個波形的相位差可以僅憑零序電流和零序電壓兩個方波的前沿（或者其后沿）來獲得，顯然這種相位差選線法不僅抗干擾能力比較差，而且很可能因波形畸變或量值的變化而誤判。

第三、時序鑒別法還有獨特的自動濾除各種干擾脈沖的抗干擾能力，如圖1中d所示。

第四、由圖1中a、b可以看出，時序鑒別法至少有1700動作范圍，可以在無補(bǔ)償、欠補(bǔ)償（b）及過補(bǔ)償（a）等整個區(qū)間自適應(yīng)。

第五、零序基波比有功分量、負(fù)序分量、五次諧波分量等信號大、抗干擾能力強(qiáng)。

第六、基于零序基波的時序鑒別法，比信號注入法、模式識別法、小波分析法等易于實現(xiàn)，甚至可以不用單片機(jī)，只用isp技術(shù)或CPLD器件即可。

六、基于時序鑒別法的單相接地選線裝置基本構(gòu)成原理

如圖2所示，從NUGS系統(tǒng)中U、V、W三相母線上的電壓互感器PT開口三角側(cè)，取出零序電壓，經(jīng)小變壓器ST降壓后，其U0信號送入單相接地選線模塊；從同一段母線引出的各饋出線上的零序電流互感器CT二次側(cè)，取出零序電流，經(jīng)負(fù)載電阻R進(jìn)行I/û變換后，其I0信號依次送入單相接地選線模塊。

如圖2所示，該單相接地選線模塊，主要由零序電壓信號處理電路，零序電流信號處理電路，時序鑒別器（可以由一片CPLD構(gòu)成，也可由單片機(jī)構(gòu)成），接地選線信號輸出電路，以及單片機(jī)接口電路（STD總線）組成。在模塊內(nèi)，零序電壓基波u0電路再分為兩個支路：一路經(jīng)濾波、移相、整形和光電隔離，變成基準(zhǔn)零序電壓U0J，作為時序鑒別的參考信號；另一路經(jīng)濾波、移相、鑒幅、整形和光電隔離，變成UOf，作為零序電壓的比幅信號。各路零序電流基波I0的電路，經(jīng)濾波、移相、鑒幅、整形、光電隔離后，變成相位和脈寬可變的信號I0。UOJ和1至4路I0方波信號分別送入時序鑒別器。時序鑒別器依據(jù)設(shè)定的時序鑒別法則（如圖1所示）分別判斷出各線路是接地故障線路還是非故障線路。由圖2中可以看出，經(jīng)時序鑒別器輸出的接地故障線路選線信號，可直接經(jīng)驅(qū)動器進(jìn)行音響報警、燈光指示與事故跳閘；也可直接輸出選線路號進(jìn)行數(shù)字顯示、語音報警，還可以經(jīng)STD總線接口電路，由外加的單片單板機(jī)進(jìn)行自動記錄、漢字顯示，事故追憶，或通過單片機(jī)串行通信接口，將故障信息傳給上位機(jī)。

結(jié) 語

我們應(yīng)用“時序鑒別選線法”研制的“基于時序鑒別方法的新型單相接地選線裝置”（見文獻(xiàn)3）系列產(chǎn)品，從2000年8月起，就先后在山東、河南、江西、重慶、安徽、山西、陜西等省的部分廠礦6KV中性點不接地電網(wǎng)投入實際應(yīng)用；2002年10月后進(jìn)入齊魯石化公司6KV諧振接地（過補(bǔ)償）系統(tǒng)實際應(yīng)用（文獻(xiàn)4）；2003年10月后基于時序鑒別法的低壓選擇性漏電保護(hù)器分別在山東十幾個煤礦井下和河北開灤錢營礦選煤廠投入實際應(yīng)用；2003年11月，“基于時序鑒別法的新型小電流接地選線裝置”在平頂山市通過河南省省級鑒定；2004年9～11月，該成果先后獲河南省煤炭工業(yè)局頒發(fā)的科技進(jìn)步一等獎、河南省人民政府頒發(fā)的科技進(jìn)步三等獎、中國煤炭工業(yè)協(xié)會頒發(fā)的科學(xué)技術(shù)二等獎。

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作者簡介：

傅桂興（1940—），男，山東科技大學(xué)教授，魯興測控設(shè)備研究所創(chuàng)辦人，山東省自動化學(xué)會常務(wù)理事，長期從事廠礦電網(wǎng)和機(jī)電設(shè)備的故障監(jiān)測、繼電保護(hù)，及變流技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)等方面的教學(xué)與科研工作，主要研究成果是小電流接地選線裝置，礦井中低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置及電機(jī)綜合保護(hù)裝置、電氣傳動實驗裝置?！?/P>