煤礦高低壓接地補償係統存在的問題及一種新的解決途徑

（1、泰安開發區魯興測控設備研究所，山東 泰安 271000；2、平煤集團機電處，河南 平頂山 467000；3、淄博光正集團，山東 淄博

255000；4、開灤集團錢家營礦，河北 唐山 063301）

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

關鍵詞：中性點非直接地係統；消弧線圈；補償係統；單相接地故障選線

一、何謂接地補償係統

我國煤礦6～10KV電網均為中性點非直接接地係統，主要包括中性點不接地係統和中性點經消弧線圈接地係統。其中，中性點經消弧線圈接地係統，常稱為諧振接地係統；因為消弧線圈是接地故障（容性電流）的補償裝置，故又稱為接地補償係統。與之相類似，煤礦井下380～1140V電網也是中性點不接地係統，但因JY82、JL82、JJKB30等檢漏繼電器中都設有補償低壓電網容性漏電電流的零序電抗器，故也屬於補償係統。

補償係統有三種不同的運行方式，即（1）欠補償（IL＜IC），（2）過補償（IL﹥IC），（3）全補償（也稱等補償，IL=IC）。

對於6～10KV高壓補償係統，全補償運行方式是必須避免的，因為係統處於全補償時，無論三相電網出現不對稱電壓的大小如何，都將會因為發生串聯諧振而使消弧線圈感受很高的電壓。在高壓補償係統中，欠補償運行方式也存在著不少的缺陷，這不僅僅是因為當係統出現正常拉路或02manbetx.com 跳閘時，有可能使係統由欠補償演變為全補償。因此，我國6～10KV補償係統一般都采用過補償運行方式，尤其是石油、化工和電業係統。

二、中性點經消弧線圈接地係統為何普遍采用過補償運行方式

對於“中性點經消弧線圈接地運行方式”這一問題，許多文獻都有論述，尤其國家電力調度通訊中心編寫的《電力係統繼電保護實用技術問答》（第二版）P11～12作了更為明確肯定的回答。即中性點經消弧線圈接地係統實際上一般都采用過補償的運行方式，其主要原因有以下五點：

（1）在欠補償電網中，當電網中因故障或其它原因而切除部分線路後，就有可能形成全補償的運行方式而造成串聯諧振，引起很高的中性點位移電壓與過電壓，從而危及係統絕緣。隻要采用欠補償的運行方式，這一缺點就無法避免。

（2）在正常運行時，欠補償電網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，就有可能發生鐵磁諧振，從而引起數值較大的鐵磁諧振過電壓。而如采用過補償的運行方式，就不會出現這種鐵磁諧振現象。

（3）電力係統往往是不斷擴展的，電網的對地電容亦將隨之增大。如果采用過補償，原裝的消弧線圈仍可以繼續使用一段時期，至多是由過補償轉變為欠補償運行；但如果原來就采用欠補償的運行方式，則係統一有發展就必須立即增加補償容量。

（4）過補償電網中流過接地點的是電感電流，使熄弧後故障相電壓恢複速度減慢，因而使接地電弧不易重燃。

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

著名學者要煥年編著的《電力係統諧振接地》一書P52又指出“當消弧線圈在諧振點附近運行時，從熄滅接地電弧方麵考慮，過補償與欠補償幾乎沒有差別，但是從斷線過電壓方麵考慮，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，電網在正常運行的情況下，消弧線圈應適當過補償運行。”

總之，即使是自動跟蹤調諧的消弧線圈，最好的運行方案是在過補償區域跟蹤調諧，正常運行時，使消弧線圈運行在遠離諧振點的最大過補償狀態；而當發生單相接地故障時，迅速向全補償方向調節，使脫諧度接近於零，使過補償度不大於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，電網恢複正常運行後，再使消弧線圈恢複最大過補償狀態運行。

三、煤礦高、低壓補償係統目前存在的幾個問題

1、煤礦6～10KV係統目前存在的問題是：

（一）單相接地容性電流超出《煤礦安全01manbetx 》的規定值20A的不少礦井，至今沒有采用消弧線圈補償措施以限製接地漏電電流。

（二）已經使用了消弧線圈補償的煤礦，絕大多數並不是正確采用過補償運行方式，而是采用欠補償運行，包括自動跟蹤欠補償方式。

（三）煤礦的繼續工程教育和安全培訓的內容存在缺陷，致使有些機電技術人員乃至有些負責供電的技術幹部，對消弧線圈過補償的優點和欠補償的缺陷不夠了解，有的甚至誤認為欠補償比過補償更可靠與安全，從而在選購新的消弧線圈和訂購小電流接地選線裝置時，依然按欠補償方案操辦。有個別機電技術幹部，還把靜電電容器的“補償”作用與消弧線圈的“補償”作用相混淆。

2、煤礦380～660V低壓補償係統存在的主要問題，是低壓選擇性漏電保護與零序電抗器可能出現過補償運行方式之間存在的矛盾沒有得到解決。現有低壓選漏保護裝置一般都采用零序功率方向原理或相敏比較原理，在係統存在JY82的零序電抗器的情況下，即使通常是欠補償運行，也使本來就很小的漏電電流變得更加微小，加上要求漏電保護動作速度非常快（30ms之內），這就使得現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，因而難免出現誤動或選擇不準確等現象。尤其是當低壓電網有若幹支路因正常停電或故障跳閘而使零序電抗器變成過補償的情況下，此時再發生單相接地漏電，則現有基於零序功率方向或相敏保護原理的低壓選漏裝置便失去選擇性。因此，現有這類選漏裝置在實際應用中，要麼存在保護的“死區”（當過補償時），要麼不得不以犧牲JY82中的零序電抗器補償功能為代價。應當指出，從安全的意義上說，當JY82用作低壓選漏保護的總後備保護時，其內的零序電抗器補償作用是絕對不應該廢除的。

四、解決問題的一種新途徑

6～10KV消弧線圈接地補償係統，由於通常都采用過補償運行，使得所有基於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裝置全部失去功用。但近十多年來，國內外專家、學者研製出好幾種基於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償運行方式的消弧線圈配套使用。這些可在諧振接地係統過補償狀態下實現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、零序導納法、有功分量法、負序分量法、能量法、模式識別法，小波03manbetx 法等。

低壓中性點不接地而帶有零序電抗器補償的電網中，目前還沒有發現有同高壓諧振接地係統中相類似的選線原理及其構成的選漏裝置，也就是說，低壓電網在零序電抗器過補償情況下，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：縱觀國內外的高壓接地選線和低壓選漏保護各種方法，至今還沒有發現別的可以利用零序電流基波實現過補償電網接地漏電選擇性保護的先例；並且近幾年來不少業內人士在他們的文章中常有類似“經消弧線圈接地的電網，基波不再滿足選線判據”之類的

“結論” 。（見《繼電器》2004（18）論文“非直接接地係統單相接地故障選線方法綜述”的結論2，P77）

魯興測控設備研究所經多年的研究與實驗，打破“常規”，首次直接采用零序電流和零序電壓的基波信號，在中性點經消弧線圈（或零序電抗器）接地係統處於過補償狀態下，實現了單相接地漏電故障的準確選線。這是對消弧線圈（或零序電抗器）過補償電網實現單相接地漏電準確選線的理論與方法的一個突破與創新。用以實現這個突破與創新的主要途徑就是基於零序基波的“時序鑒別選線法”（發明專利已公報）。

五、時序鑒別選線法及其特點與優點

所謂“時序鑒別選線法”，就是直接利用諧振接地係統單相接地故障的零序電流基波，經濾波、鑒幅、整形、光隔後形成的脈寬可變的方波I0，和零序電壓基波經濾波、移相、整形、光隔後形成的脈寬固定的180度方波U0J，直接進行時序鑒別。當係統發生單相接地故障後，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上升沿滯後於零序電壓U0J上升沿而超前零序電壓U0J下降沿，即零序電流I0上升沿界於零序電壓U0J的上升沿與下降沿之間；

（2）零序電流I0下降沿滯後於零序電壓U0J下降沿須大於0度而小於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。

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

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，有根本的區別。例如圖1中d所示的I0與U0J的方波關係，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的波形關係，運用零序功率方向原理應判定為故障線路，而運用時序鑒別原理則應判為非故障線路。

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（或者其後沿）來獲得，顯然這種相位差選線法不僅抗幹擾能力比較差，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幹擾脈衝的抗幹擾能力，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動作範圍，可以在無補償、欠補償（b）及過補償（a）等整個區間自適應。

第五、零序基波比有功分量、負序分量、五次諧波分量等信號大、抗幹擾能力強。

第六、基於零序基波的時序鑒別法，比信號注入法、模式識別法、小波03manbetx 法等易於實現，甚至可以不用單片機，隻用isp技術或CPLD器件即可。

六、基於時序鑒別法的單相接地選線裝置基本構成原理

如圖2所示，從NUGS係統中U、V、W三相母線上的電壓互感器PT開口三角側，取出零序電壓，經小變壓器ST降壓後，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，取出零序電流，經負載電阻R進行I/û變換後，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構成，也可由單片機構成），接地選線信號輸出電路，以及單片機接口電路（STD總線）組成。在模塊內，零序電壓基波u0電路再分為兩個支路：一路經濾波、移相、整形和光電隔離，變成基準零序電壓U0J，作為時序鑒別的參考信號；另一路經濾波、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，經濾波、移相、鑒幅、整形、光電隔離後，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。時序鑒別器依據設定的時序鑒別法則（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，經時序鑒別器輸出的接地故障線路選線信號，可直接經驅動器進行音響報警、燈光指示與02manbetx.com 跳閘；也可直接輸出選線路號進行數字顯示、語音報警，還可以經STD總線接口電路，由外加的單片單板機進行自動記錄、漢字顯示，02manbetx.com 追憶，或通過單片機串行通信接口，將故障信息傳給上位機。

結 語

我們應用“時序鑒別選線法”研製的“基於時序鑒別方法的新型單相接地選線裝置”（見文獻3）係列產品，從2000年8月起，就先後在山東、河南、江西、重慶、安徽、山西、陝西等省的部分廠礦6KV中性點不接地電網投入實際應用；2002年10月後進入齊魯石化公司6KV諧振接地（過補償）係統實際應用（文獻4）；2003年10月後基於時序鑒別法的低壓選擇性漏電保護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用；2003年11月，“基於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，該成果先後獲河南省煤炭工業局頒發的科技進步一等獎、河南省人民政府頒發的科技進步三等獎、中國煤炭工業協會頒發的科學技術二等獎。

參考文獻：

1、要煥年、曹梅月，電力係統諧振接地，中國電力出版社，2001。

2、電力係統繼電保護實用技術問答（第二版），中國電力出版社，2003。

3、傅桂興、付英、張文生，基於時序鑒別方法的新型單相接地選線裝置，繼電器，2003，（2），P43。

4、牛洪波、朱有誌、傅桂興，基於時序鑒別原理的選線裝置在諧振接地係統中的試驗與運行，2003年中國石化股份公司電氣技術研討會齊魯石化公司交流材料，2003。

5、肖白、束洪春，小電流接地係統單相接地故障選線方法綜述，繼電器，2001，（4），P16。

6、黃慶模、胡天祿等，礦井高壓電網三級選擇性漏電保護係統，煤炭科學技術，1994，（4），P15。

7、潘貞存、桑在中，單相接地故障信號注入選線法，電力係統自動化，1996，（2）。

8、葛耀中、竇乘國，非直接接地係統中檢出單相接地線路的新方法，繼電器，2001，（9），P1。

9、李冬輝、史臨潼，非直接接地係統單相接地故障選線方法綜述，繼電器，2004，（18），P74。

作者簡介：

傅桂興（1940—），男，山東科技大學教授，魯興測控設備研究所創辦人，山東省自動化學會常務理事，長期從事廠礦電網和機電設備的故障監測、繼電保護，及變流技術、監控技術等方麵的教學與科研工作，主要研究成果是小電流接地選線裝置，礦井中低壓電網選擇性漏電保護裝置及電機綜合保護裝置、電氣傳動實驗裝置。