矿井高压电网的一种实用新型单相接地保护装置

1、矿井高压电网的一种实用新型单相接地保护装置陶建平1 李富贵2 毕建军2 付 英3 张文生3 傅桂兴3（1、平煤集团机电处，河南平顶山 467000；2、平煤集团电务厂，河南 平顶山 467000；3、泰安开发区鲁兴测控设备研究所，山东 泰安 271000；）A new paractical protector for single phase grounding fault selected in coal mining high voltage systemTAO jian-ping1,LI fu-gui2,BI jian-jun2,FU ying3,ZHANG wen-sheng3,FU

2、gui-xing3（1、PingDingShang Coal Mining Group Corporation Ltd,Pingdingshan 467000,China;2、Dianwuchang PingDingShang Coal Mining Group Corporation Ltd,Pingdingshan 467000,China;3、Taian Development Area Luxing Measuring and Controling Research Institute，Taian 271000,China;) 内容提要：矿井高压电网单相接地保护装置是煤矿安全规程规定必

3、须装设的保安设备。本文介绍的实用新型单相接地保护装置是以专用集成电路ASIC为核心，运用零序基波通过时序鉴别，实现矿井6KV电网单相接地故障的准确选线，不仅通用于中性点不直接接地电网的无补偿、欠补偿系统，而且能在过补偿系统实现准确选线；并能区分永久性和瞬间性接地故障；还具有零序CT断线检验、PT断相鉴别等功能。关键词：中性点不直接接地电网 单相接地（漏电）故障 选择性保护 专用集成电路（ASIC） 时序逻辑鉴别一、煤矿高压电网选择性接地保护的发展与现状 我国的360KV配电网广泛采用中性点不直接接地系统即小电流接地系统，包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经高阻接地系统。在该

4、系统中发生最多的故障是单相接地。因此，我国煤矿安全规程第457条规定，煤矿“地面变电所和井下中央变电所的高压馈出线上，必须装设有选择性的单相接地保护装置，供移动变电站的高压馈出线上，必须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置。”但小电流接地系统，尤其是经消弧线圈接地且调谐于过补偿状态的系统，单相接地故障线路难以准确查出。这是数十年来国内外电力系统继电保护领域一直关注的技术难题和研究课题。我国从1958年开始就有人研究高压电网单相接地保护装置，也称单相接地选线装置。数十年来特别是近十几年来取得不少科研成果，已研究出多种选线原理和选线装置。但我国研制的选线装置绝大多数都是根据中性点不接地系统设

5、计的，一般都是基于零序功率方向原理进行选线的，还有零序基波比幅法、比相法等选线原理构成的选线装置，这些装置对我国3KV、6KV、10KV中性点不接地供配电系统的安全运行发挥过重要作用。20世纪80年代以后，我国煤矿高压电网和城市电网逐步推行中性点经消弧线圈接地的运行方式。按常规，消弧线圈应调谐在过补偿状态运行，以避免欠补偿状态下因切除线路、电容电流变小，而导致全补偿引起串联谐振；或因断相事故导致三相电压不对称引起铁磁谐振过电压而危害电网。然而，消弧线圈的过补偿运行方式，又会导致基于零序电流方向原理及比幅、比相原理的单相接地选线装置全部失效；并且十多年前适配消弧线圈过补偿状态的单相接地选线装置不

6、仅品种少，而且性能不可靠（当时仅有首半波法、五次谐波分量法等）。为此，我国有关矿业院校和科研院所在十多年前（1994年前后）曾研制出“自动跟踪于欠补偿运行状态的消弧线圈”主要供煤矿系统应用，以便于原有比幅型、比相型、零序功率方向型接地选线装置继续发挥作用。与此同时，近十多年来我国也研究出好多种配合消弧线圈过补偿运行电网的单相接地选线装置，相继在石油、化工、电业部门的谐振谐振接地系统应用，主要有信号注入法、有功分量法、相间工频变化量法、最大（I sin）原理、模糊推理和模式识别法、残流增量法、小波分析法、时序鉴别法等构成的新一代接地选线装置。从而形成了煤炭系统与石油、化工、电力系统在应用消弧线圈

7、和选线装置方面的差异。值得重视的是，在国内外已有的十多种可用于消弧线圈过补偿运行电网作为单相接地故障的选线装置中，唯有鲁兴测控设备研究所研制的单相接地选线装置（简称鲁兴选线装置）是直接利用零序基波信号进行故障鉴别的，并运用了当今最先进的EDA技术和isp器件，及分散监控、并行处理方案，因而具有独特的优点。二、基于零序基波“时序鉴别法”的单相接地选线装置图1是鲁兴接地选线装置的的原理图，该装置的关键部件是以“时序鉴别器”为核心的单相接地选线模块。如图1所示，从高压电网三相母线上的电压互感器PT开口三角侧取出零序电压U0，经小变压器ST降压后，U0信号送入选线模块内；同时，从同一段母线的各馈出线的

8、零序电流互感器CT二次侧，取出零序电流I，经各自得负载电阻R进行I/变换后，各I0信号依次送入选线模块的8个I0输入端（每个模块至多接8路I0）。图1 鲁兴选择性保护装置的的原理图单相接地选线模块的构成原理如实线框内的方块图所示，它主要由零序电压信号处理电路，零序电流信号处理电路，时序鉴别器，接地选线信号输出电路，以及单片机接口电路等组成。其中时序鉴别器是该模块的核心，每个时序鉴别器分管4路馈出线，故每个选线模块包含两个时序鉴别器。时序鉴别器可以是专用单片机，也可以采用现代可编程逻辑器件CPLD或ispLSI构成的专用集成电路ASIC。在选线模块内，零序电压输入信号U0再分为两个支路：一路经低

9、通滤波、阻容移相、整形和光电隔离后变成基准零序电压U0J，作为时序鉴别的参考信号；另一路经低通滤波、阻容移相、鉴幅、整形和光电隔离后变成UOf，作为零序电压的幅值鉴别信号。各路零序电流，分别经低通滤波、鉴幅、整形、光电隔离后变成相位和脉宽可变的信号I0。UOJ和4路I0信号分别送入时序鉴别器。时序鉴别器依据内部设定的时序鉴别法则，分别判断出各线路是接地故障线路还是非故障线路。若为非故障线路，时序鉴别器无信号输出；若为接地故障线路，则经时序鉴别器判定后，就有对应的故障选线信号输出，实现故障报警、灯光和数字显示，以及语音报警、作用于跳闸等。三、时序鉴别法则图2是鲁兴研究所用以实现单相接地选线的零序

10、基波“时序鉴别法则”示意图。图中，U0J是由零序电压变换来的180度规则方波，作为时序鉴别的基准信号。I0是由零序电流变换来的脉宽和相位不确定的方波，I0的脉宽一般为180度，但若零序电流幅值过小，则I0的脉宽将远小于180度甚至为零。I0相对于U0J的相位随电网是无补偿、欠补偿还是过补偿而从左向右变动。如图2所示，当单相接地故障发生后，若某条线路的零序电流对应的I0方波与U0J的时序关系同时满足以下两个条件的，则该线路为单相接地故障线路，如图2中a、b所示。（1）零序电流I0上升沿滞后于零序电压U0J上升沿而超前零序电压U0J下降沿，即零序电流I0上升沿界于零序电压U0J的上升沿与下降沿之间

11、；（2）零序电流I0下降沿滞后于零序电压U0J下降沿须大于0度而小于180度。图2 时序鉴别选线法的基本原理图不能同时满足这两个条件的则为非故障线路，如图2中的c、d、e所示。这就是应用“时序鉴别法”进行单相接地故障选线的主要判据。这里必须指出，虽然同时应用零序基波信号，但“时序鉴别法”和通常的相对相位法（比相法），或者说“时序鉴别原理”与零序功率方向原理，是根本不同的。例如图2中d所示的I0与U0J的方波关系，完全符合接地故障线路的零序功率方向法或相对相位法的判别原理，但不符合接地故障线路的时序鉴别法则；或者说，图2中d所示的I0和U0J的波形关系，运用零序功率方向原理应判定为故障线路；而运

12、用时序鉴别原理则应判为非故障线路。四、本装置的其它功能鲁兴选线装置除上述单相接地选线这一主要功能外，还具有整机性能的自检演示功能，三相不平衡电压和零序电压的监测显示功能，零序CT二次回路完好性检验功能，单相接地瞬间性故障和永久性故障的分辨功能。此外，还可增加单相接地选相和PT断相监别功能。限于篇幅，不再详述。|五、鲁兴选线装置不同于其他选线装置的几个特点1、工作原理和选线方法独特一般微机选线式单相接地保护装置，只要是采用零序基波信号实现接地故障选线的，只能构成零序功率方向，零序电流方向及群体比相、比幅等选线方法,这类选线方法构成的单相接地选线装置只适用中性点不接地系统，或高阻接地系统，消弧线圈

13、欠补偿系统；而鲁兴产品采用零序基波通过“时序鉴别选线法”来实现单相接地选线,不仅可以用于中性点不接地系统、中性点经高阻接地系统或中性点经消弧接地自动跟踪欠补偿系统，而且可以用于消弧线圈过补偿系统，已获得国家实用新型专利，专利号ZL02237567.8，并申报国家发明专利，发明专利公开号为CN1453916A。实际应用表明，该装置的零序基波时序鉴别法，比相同功用的小波分析法、模式识别法、最大（I sin）原理法等简单明了，没有复杂的数学运算，可不用计算机；比谐波分量法、负序分量法、信号注入法简易，可不用选频器、滤序器或信号注入设备；比有功分量法省事、安全，不需在消弧线圈上串联或并联大功率电阻；比

14、首半波法工作可靠，没有接地保护的死区。2、查找接地故障线路的手段新颖一般微机选线装置是依靠软件程序进行巡回检测。而鲁兴选线装置则采用isp技术或CPLD器件,依靠自研发的专用集成电路（即依靠硬逻辑系统而非软件程序）来进行单相接地故障线路的检测，因而其抗干扰能力比前者强，动作速度比前者快。3、可靠性设计方案先进一般微机选线式单相接地保护装置是整台装置（监护数十路馈出线）仅由一个单片机或信号处理器来集中监控,这类装置只要单片机系统（含CPU或RAM、EPROM、时钟等）出故障，就会导致整个选线装置瘫痪。而鲁兴选线装置则每4路馈出线由一个时序鉴别器监控，因此，一台监护数十路馈出线的单相接地选线装置，

15、如同一个“多CPU并行处理系统”,任何一个时序鉴别器损坏，只影响4路接地故障的检出，而不会影响整台装置。因而大大提高了整个装置的工作可靠性。4、指明故障线路的警示方案非同一般一般微机选线式接地保护装置只依靠数字（或汉字）显示和打印输出来指出故障线路编号。而鲁兴选线装置,主要依靠硬逻辑控制的各发光管指示和记忆各路馈出线是否发生单相接地,是持续性接地故障（平光）还是瞬间性接地故障（闪光）；同时通过isp器件实现数字显示和语音报警，还可以根据用户需要引出故障线路的跳闸命令。因此，鲁兴选线装置可省去打印机，也不怕数字显示器出现故障，甚至不用单片机，也不影响故障线路的检出及语音、数显警示。5、增设PT断

16、相和CT断线检测功能的意义一般单相接地选线装置不具备PT断相监测这一功能,因而一旦发生PT断相,就会出现不平衡电压,产生伪“零序电压信号”，引起误报警；或反之,当真正发生单相接地故障时,则因PT断相而导致该装置不能正确选线。为防止这种情况发生,鲁兴选线装置增设了PT断相自动监测与显示功能。进一步提高了保护装置的可靠性。此外，鲁兴选线装置还有零序CT二次回路是否断线的检验功能，以防故障信息中断。6、产品的系列化和多层次化一般厂家的单相接地选线产品其结构形式与品种都比较单一，而鲁兴选线装置有普通型（GJWJ-IV和GJXB-IV）和矿用一般型（KGLJ-IVA和KGLJ-IVB）两大类，还各有立柜

17、式、嵌入式两种结构模式，又各有按监护范围（馈出线路数/母线段数）的每8路或每4路分档，还各有不同技术性能配置的多层次方案。因此，在装置选型订货时，其“性能/价格”可由用户灵活选定。总而言之，鲁兴选线装置不同于其它选线装置的最本质的特点是：一般微机选线装置只有一个控制中心，即一个依靠软件运作的单片机或信号处理器；而鲁兴选线装置具有很多个控制中心单相接地故障线路的“时序鉴别器”（每4路一个）、PT断相与单相接地的“相别检测器”（每段母线一个）故障线路编号的数字显示和语音报警器（每台装置一个）等。这些“控制中心”都是专用集成电路构成的。这些特点非常适用于煤矿电网特别是井下高压电网的单相接地选择性保护

18、。六、结 语鲁兴研究所应用零序基波“时序鉴别选线法”研制的“基于时序鉴别方法的新型单相接地选线装置”（见文献3）系列产品，从2000年8月起，就在煤炭行业6KV中性点不接地电网投入实际应用；2002年10月后鲁兴产品进入石化行业6KV谐振接地（过补偿）系统实际应用（文献4）。平煤集团电务厂与泰安开发区鲁兴测控设备研究所从2002年5月开始，就“小电流接地选线装置的改进与功能扩展”项目进行技术合作；2003年11月，该合作成果在平顶山市通过河南省科技厅组织的省级鉴定；2004年6月该成果获平煤集团科技进步一等奖。与此同时，平煤集团与鲁兴测控研究所合作、推广应用的科技项目“基于时序鉴别法的小电流接地选线装置”于2004年911月，先后获河南省煤炭工业局颁发的科技进步一等奖、河南省人民政府颁发的科技进步三等奖、中国煤炭工业协会颁发的科学技术二等奖。参考文献：1、要焕年、曹梅月，电力系统谐振接地，中国电力出版社，2001。2、电力系统继电保护实用技术问答（第二版），中国电力出版社，2003。3、傅桂兴、付英、张文生，基于时序鉴别方法的新型单相接地选线装置，继电器，2003，（2），P43。4、牛洪波、朱有志、傅桂兴，