2010年第 5期 　　　　 　　　　 　煤 　炭 　工 　程 　　　　　　　 　 　 设计技术 　 中性点经消弧线圈串电阻接地系统 单相接地故障选线 李保勇 , 公茂法 , 胡晓君 , 李 　琦 , 杨焱麟 (山东科技大学 信息与电气工程学院, 山 东 青岛　266510) 摘 　要 :阐述了中性点经消弧线圈接地系统的优点 。分析了中性点经消弧线圈串联电阻接地 系统单相接地故障的理论特征 , 并对接地故障使用 MATLAB的 Simulink仿真工具箱进行仿真分析 其特点 , 验证了理论分析的正确性。 针对中性点经消弧线圈串联电阻接地系统, 进行选线原理的 对比, 最后提出了基于时序鉴别原理的选线方法。 关键词 :中性点 ;消弧线圈;Simulink仿真 ;选线原理 中图分类号 :TM711　　文献标识码 :A　　文章编号:1671 -0959(2010)05-0013-03 现在我国矿井 低压供 电电 网中性 点接 地方 式主要 应用 中性点不接 地, 但是 相对于 中性 点不接 地方 式而 言, 经消 弧线圈接地的安 全性 更高, 将 来应该 会成 为煤 矿低压 供电 系统的发展方向, 中性点 经消 弧线圈 接地 有着 自己独 特的 优越性:① 提高电力系统 的供电 可靠性, 经 消弧线 圈接地 后, 能使故障点的电流变得很小甚至为零, 避免了单相瞬时 接地故障的跳闸, 提高 了可靠 性;② 由于 中性 点经消 弧线 圈接地减小了接地点 的电流, 残流很小, 接地电弧可瞬间熄 灭, 有力地限制了 电弧 过电 压的 危害 作用, 电网 单相 接地 后仍能继续运行一段时间(规程允许 2h), 保留充足的时间 对故障线路进行检修;③ 中性 点经消 弧线圈 接地可 以彻底 消除 PT引起的铁磁谐振;④ 经消弧线圈接地, 减小了接地 电流, 从而创造了 配电 网电 磁兼 容环 境。 但 是由 于中 性点 经消弧线圈接地容易引 发电网的串联谐振, 谐振电压很 高, 对电网正常运行有 很大的 损害, 采用 经消弧 线圈串 (并)电 阻接地可 以有 效 抑制 谐振 电 压, 还 可以 抑制 弧 光过 电 压, 而且有利于在补 偿状 态下的 选线 研究。 因 此本 文主要 讨论 中性点经消弧线圈串(并)电阻接地系统。 高开采。 主要原因如下: 1)工作面采后的采空区域可由残留煤矸与垮 落的顶板 岩块充填, 使顶板岩层始终受 到充填体的 支承作用。 同时, 残留煤矸与垮落的 顶板岩 块下 移充填 过程 中可 形成暂 时稳 定的绞接岩块承载结 构, 有效 地抑制顶板岩 层的回转 运动。 随着分段工作面下移 , 当结构 受压不足以支 承顶板岩 层时, 支承结构破坏, 冒 落的煤 矸体 与顶板 垮落 岩块 可在顶 板岩 层最下方断 口处再 次形 成暂 时稳定 的结 构。 如此 反复, 工 作面始终受到其 上方 临时稳 定结 构的保 护作 用, 降低 了采 空区内顶板大范 围垮 落的危 险, 避免 了工 作面 急剧来 压情 况的发生。 2)随着开采 向下部水平延伸, 顶板侧破坏开 始以水平 位移为主, 顶板 侧移 动角呈 缓慢 增长趋 势, 顶板 侧的 破坏 范围并不随采深增加 而急剧增加。 参考文献: [ 1] 　矿压研究课题 组 (乌鲁 木齐 矿务局 , 煤科院 北京开 采所 , 煤 科院重庆研究所 , 新疆煤炭科研 所 ).乌 鲁木齐矿 务局六道 湾煤矿综采放顶 煤采煤 工艺及 引进设 备工 业性鉴 定资 料汇 编 [ R] . 1988. [ 2] 　冯泾若 , 伍丽 娅 , 罗洪波 .我国短 壁工作 面综采 综放 设备 的发展和应用 [ J] .煤矿开采 , 2004, 9 (1):7 ～ 9. [ 3] 　陈福华 .短壁 综采工 作面 回采 工艺 技术 [ J] .煤矿 开采 , 2006, 11(4): 35～ 36. [ 4] 　樊运策.地下开采现代技 术理论与实 践 [ M] .北京 :煤炭 工业出版社 , 2002. [ 5] 　赵宏珠, 石平五 .厚煤层放顶 煤开采技 术与装备 [ M] .北 京 :煤炭工业出版社 , 1994. [ 6] 　邵小平 , 张红 祥 , 石平五 .急斜煤 层分段 放顶煤 开采 合理 38 (4): 段高选择研 究 [ J] .中国 矿 业 大学 学 报 , 544～ 548. 2009, [ 7] 　邵小平, 石平五 .急斜煤 层大段 高开采 三角煤 可控性 研究 [ J] .煤炭工程 , 2009, (11):61～ 63. [ 8] 　石 平五 .急倾 斜 大段 高综 采 放顶 煤 矿压 显 现及 围 岩控 制 [ J] .矿山压力与顶板管理 , 1992, (4):43～ 47. (责任编辑　李泽荃) 　　收稿日期: 2009 -08 -24 　　作者简介:李保勇(1984-), 男, 山 东聊城人, 主要研究方向是电力系统漏电保护。 13 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

　 设计技术 　　　　　　 　　　煤 　炭 　工 　程 　　 　 　　 　　　　2010年第 5期 　 1　中性点经消弧线圈串电阻接地系统单相接地故 障分析与仿真 1.1　故障特征分析 下面主要讨 论中性 点经 消弧线 圈串 电阻 接地系 统。 以 三出线供电网络为 例做出 中性 经消弧 线圈 串联 电阻接 地系 统发生单相直接接 地故障 时的 零序等 效以 及电 流分布 电路 图, 如图 1所示。 图 1　系统单相 直接接地零序等效网络 图 1中, 规定 从 母线 指向 出 线的 方向 为 正方 向, C1 、 C2 、 C3 表示三条出线 L1 、 L2 、 L3 对地分 布电容, 为 了方便 分 析, 这里 设 C3 =C2 =C1 =C。 由于出线对地电阻很大, 在这里忽略不进行考虑。I01 · 流, 其中 I0f 表示流过消弧线圈 L和串联电阻 r的补 偿电 流(包 括两 部分, 一 部分 有功 电流 I· r, 一部分无功 电流 I· 表 示电网 中出线的 零序电 压。 容易得到零序电压与 零序电流及补偿电流之间的关系: 为故障支路首端零序电流。I· 三条出线首端的零序电 · 、 I0f · L)。U0 · 、 I02 · · =-U· 3 I0f · ωC1 · ωC2 · =j3 U0 3 I01 · =j3 U0 3 I02 0 j3ω C∑ -C3 + 1 L +(-I· r) 02 )+I· 01 +I· jωL+r 　 =-3(I· (3) 　　由式(3)得出中性 点经消 弧线圈 串电阻 系统单 相接地 故障各电气量的向量 图如图 2所示。 串电阻接地系统 单相 接地故 障进 行仿真, 对比 得到的 故障 特征与 1.1节中分析是否吻合。 首先 建 立仿 真 原 理 图, 原 理 图 里 主 要 有 7 部 分:① PowerSource三相电源模块, 给系统提供所需电 压, 这里设 置为线电压 660V;② Three-PhaseV-IMeasurement三相 电压电流测量模块, 可以分别测出 三相电压 电流;③ Three -PhaseParallelRLCBranch三相 电阻、 电 容、 电 感并 联支 路模 块, 模 拟 各 相 对 地 电 阻、 电 容, 设 置 成 对 地 电 容 1 μF, 对地电阻 inf(无 限大);④ Three-PhaseFault三相 故障模块, 设置成 L3 出线的 A相故障 , 故障的起始 和结束 时间设置成 [ 0.100 0.200] , 对应的故障状态 [ 1 0] , 表示 故障在 0.100s出 现, 0.200s结 束;⑤ 3 -PhaseSequence Analyzer三相相序分析 模块 可以 完成三 相序 电压、 电 流测 量。 这里设置 成 测量 零序 电压、 电 流;⑥ mag和 phase幅 值、 相位显示模 块, 显示 零序 电压和 零序 电流的 幅值 和相 位;⑦ SeriesRLCBranch电阻、 电感、 电容串联支路模 块, 实现消弧线圈串电阻接 地。 由式 (3)进行简化得: · =-U0 3 I0f · jω 6C- L r2 +ω2L2 + r r2 +ω2L2 (4) 　　为了 简便 计 算, 首 先在 等补 偿 状态 下进 行 参数 计 算, 直接取 L=1H, 得到 r=261Ψ。 然后通过 人为的调 整参数 实现其他两 种状态。 分别对 三种 状态进 行仿 真。 仿真 所得 各量参数见表 1。 表 1　等、 过、 欠补偿状态下的各参数值 参数状态 由表 1画出对应的向量图 3得: 图 3　故障量 的相位关系 等补偿 (L=1H, R=261 Ψ) 过补偿 (L=1.6H, R=60Ψ) 欠补偿 (L=2H, R=261Ψ) 幅值 相位 幅值 相位 幅值 相位 (1) (2) I02 I01 I0f U0 420V 130mA 130mA 224mA 140° -130° -130° -40° 420V 130mA 130mA 30mA 140° -130° -130° -50° 420V 130mA 130mA 116mA 140° -130° -130° 4° 图 2　故障量的相位关系图 向量图中 I(1) 0f 、 I(2) 偿状态下的零序电流。 0f 、 I(3) 0f分别 是等补偿、 过补 偿、 欠补 1.2　故障仿真 利用 MATLAB的 Simulink工具箱 对中 性点 经消弧 线圈 经过以上分 析:仿真 结果 和理论 分析 的结 果一 样, 由 于由 r产生的有 功分量 的存 在, 故 障相 电流 的方 向发 生了 14 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

　2010年第 5期 　　　　 　　　　 　煤 　炭 　工 　程 　　　　　　　 　 　 设计技术 　 呈现 90°直角角 度, 而是由于补 偿状态 0 偏离, 不在是和 U· 的不同分别呈现出 90°～ 270°角度的变化。 2　选线原理的选择 2.1　原理比较 选择普遍使 用的零 序电 流有功 分量 方向 原理、 零 序功 率方向原理进行分析 。 2.1.1　零序电流有功分量方向原理 消弧线圈和串(并)其上的 电阻都能 提供一 定的有 功成 分, 由中性点电 阻产 生的有 功电 流只流 经故 障线 路, 而与 非故障线路无关, 零序电 流有 功分量 方向 原理 就是利 用这 一点进行故障支 路的 选择。 对 于中性 点经 消弧 线圈串 电阻 接地各种补偿状 态, 零序 电流 有功分 量方 向原 理理论 上都 可以选择出故障 线路, 但 是零 序电流 有功 分量 方向原 理要 求必须存在明显 的有 功分量, 不然选 择的 准确 性会大 大降 低, 进而会发生拒动、 误动的 现象, 这和安 全性相互矛 盾, 进行补偿目的在 于将 零序电 流的 幅值降 低以 减小 危害, 安 全性和准 确 性 在零 序 电 流 有功 分 量 方 向原 理 面 前 出现 了 矛盾。 2.1.2　零序功率方向原理 该原理主要 适用于 无补 偿的系 统中, 在 中性 点经 消弧 线圈串电阻 系统中, 当系统 处于 过补偿 状态 下时, 零 序功 率方向原理 已经不 再适 用。 在这 儿, 选择 最近几 年国 内提 出的时序鉴别保 护原 理, 时序 鉴别保 护原 理实 质上和 零序 电流有功方向原 理有 些相似, 都是应 用了 零序 电流中 的有 功分量。 2.2　时序鉴别原理 · 延滞后方向移相 90°, 这样由于有功分量的存在 I0f 时序鉴别选线 原理本 质上 就是利 用零 序电 压和零 序电 流的相位关系进 行选 线。 零序 电流由 于中 性点 的消弧 线圈 和串电阻的 作用, 产 生相位 的偏 移, 即不 再和零 序电 压呈 现 90°夹 角, 而 是 由 于 补 偿 状 态 的 不 同 分 别 呈 现 出 90°～ 270°的变化, 为了方便 进行相 位的比 较, 将零 序电压 · · U0 和 U0 之 间的夹 角因 补偿 状态的 不同 变为 0°～ 180°, 时序 鉴别 原理就是利用这个 由于有 功分 量的存 在产 生的 夹角进 行选 线。 零序电压和零序电流的 关系如图 4所 示:其中 U0j是由 零序电压 u0 变换来的脉宽 180°的方波, 作为时序 鉴别的基 准信号。 I0 是由零序电 流 i0 变换 来的脉 宽和相 位不确 定的 方波。 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方 波的 时序关 系同 时满足 以下 两个 条件 时, 则该线路被判定为单相接 地漏电线路, 条件如下: 1)零序电流 I0 方波的上 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。 2)零序电流 I0 方波的下 降沿滞后 于零序 电压 U0j方波 的下降沿须大于 0°而小于 180°。 图 4　故障零序电压和零序电流的关系图 在选线信号 前段处 理阶 段, 只需 对零序 电压 信号 和零 序电流信号进 行滤 波、 移 相、 鉴 幅、 整 形、 光 隔, 但 是由 于零 序 电流 信 号其 脉宽 随 着正 弦波 的 幅值 大小 可 在 0°～ 180°之间变化, 为了满 足选 线条 件, 在 一些 情况 之下 需要 加入一个门槛电 压。 然后 送入 时序鉴 别芯 片进 行故障 支路 的选择工作。 2.3　时序鉴别原理硬件结构 采集信号前端处理 完成以后, 便可送入 时序鉴别芯 片。 在这里时序鉴别的核心芯片采 用 FPGA芯 片, FPGA芯片对 比单片机有 很多 优 点:FPGA运行 速 度快, FPGA管 脚 多, 用户可使用资源丰富, FPGA内部程序并行运行, 有 处理更 复杂功能的能力, FPGA有大量软核, 可以方便进行 二次开 发 。 选用 AlteraCycloneII系列 FPGA芯片 EP2C35, 这款芯 片拥有 33216个逻辑单元, 475个 I/O端口供用 户使用, 而 且时钟频 率最 高 可达 400M, 处理 速 度相 比 单片 机 要快 很 多。 外围扩展 功能主 要完 成故障 支路 显示、 故 障报 警、 继 电器驱动跳闸、 上位机通信等功 能。 3　结　语 本文给出了中性点经消弧线圈串电阻接地系统单相接地 故障的特征, 并对故障进行了 MATLAB的 Simulink仿真, 最 后根据故障特征完成了选线原理的选择, 选择了准确性和安 全性共存的时序鉴别原理。 时序鉴别选线原理是我国近几年 来新提出来的选线原理, 经过实践证明, 选线准确性有很大 提高, 有利于进行新的快速而且准确的选线装置开发。 参考文献: [ 1] 　孙云 , 陈李波 , 马 树瑛 .中 性点经 消弧线 圈接地 系统 的优 点 [ J] .农村电气化 , 2002, (10):27. [ 2] 　米启超, 赵红梅 .煤矿井 下低压 电网选 择性漏 电保护 研究 [ J] .煤矿机械 , 2008, 29(1): 154 ～ 155. [ 3] 　王吉庆, 沈其英 .中性点 经消弧 线圈接 地系统 的单相 接地 故障选线 [ J] .电网技术 , 2003, 27(9): 78～ 79. (责任编辑　赵巧芝) 15 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net