小電流選線裝置的改造分析與應用實踐

趙治祥

（大同煤礦集團有限責任公司同忻煤礦，山西 大同 037003）

1 概述

同忻煤礦地面10kV開閉所擔負著地面運輸系統、供排水系統、照明系統等多方面供電負荷，負荷類型比較復雜，分布范圍較廣，導致變電所經常出現接地故障，如果變電所內高壓設備出現故障，目前常用的方法是人工依次跳合出線開關來查找故障點，頻繁的處理故障既浪費了時間和人力成本，還對供電安全造成了不良影響。因此，通過新型技術解決這一問題，改善電能質量，提高供電可靠性是十分必要的。新的選線裝置要能準確進行故障檢測，并發出信號。

2 系統選線技術分析

2.1 選線原理

小電流自動選線技術早在二十世紀五十年代就開始應用了。接地系統正常運行時，三相電壓對稱平衡，如果一相接地，繞組電壓會增大倍，故障線路零序電流增大（可達其他線路零序電流和），相位滯后零序電壓約90度。通過分析故障線路的接地電流發現其與電容分量成正比，5次諧波也和基波特性相同。在中性點經消弧線圈接地系統中，由于消弧線圈產生的補償作用，導致故障線路與非故障線路零序電流數值不能主群內確定，因此選線裝置準確率大大下降。

2.2 選線方案分析

傳統的選線方法主要以穩態分量法為主。穩態分量法主要是對零序電流進行幅值比較、相對相位比較和5次諧波。但是隨著半徑增大、線路增多、電容增加，這種方法已經不能適用于中性點經消弧線圈的接地方式。后來，在中性點經消弧線圈的接地系統中常用5次諧波作為判斷依據。但是，5次諧波在系統中含量比較小（2%～3%左右），穩定性也比較差，很容易受到干擾，影響選線準確性。而且由于受到硬件條件的影響（主要是單一CPU），采樣點數較少，使得采樣精度受到較大影響。

近年來，隨著科學技術的發展，選線技術也取得了很大的進步，陸續出現了很多方案。其中，一些方案雖然在原理上是正確的，但是在實際使用中效果不是很理想。經過分析發現，這些不是很理想的方案主要問題仍然是以穩態分析為主，忽略了系統故障瞬間的暫態信號。因此，要想提高選線精度，應該捕捉暫態信號，再結合穩態信號進行分析。

2.3 對新方案的技術要求

（1）同時性。接地故障瞬間出現的暫態分量頻率很高（300～3000Hz），如果采用單CPU進行數據采樣，只能通過巡檢取樣，存在相位誤差，降低了采樣精度。因此，新技術方案必須能夠保證采樣的同時性。

（2）準確性。傳統選線裝置單一CPU采用集中式方案，所有零序CT的二次負載都引入裝置內，長線引入會導致信號干擾。因此，要保證精度，多CPU系統必不可少。

3 改造方案分析

3.1 改造方案原理

根據上面的分析可知，改造方案主要應集中在兩個方面。

（1）原理。要以暫態分析為主，結合穩態分析，得到更準確的判斷依據。系統接地時，由于狀態改變，會形成幅值很大的沖擊電流，而且不會被消弧線圈補償掉。

（2）硬件。為了確保數據采集的準確性和同時性，要對單一CPU進行改造，在每條饋出線上安裝采樣模塊進行采樣。這樣可以在一周波內完成所有線路的采樣工作，提高采樣精度，降低誤判率。

3.2 改造方案實施

同忻煤礦經過反復的思考和實驗分析，對改造方案進行了實施。改造后的裝置示意圖如圖1所示。

圖1 同忻煤礦10kV變電所接地選線系統示意圖

新的選線系統的基礎部分是高壓出線柜下安裝的采集模塊（圖中CJMK），接地選線功能是通過這些采集模塊和一個中央單元（圖中ZYDY）組成。采集模塊的作用是對零序電流互感器的零序電流進行采樣，并輸出跳閘信號。采集模塊之間通過雙芯屏蔽通信電纜進行連接，采集模塊與中央單元之間通過CAN總線連接。

在整個系統裝置中，核心部件是中央單元。如果系統發生接地故障的話，PT開口三角電壓超出中央單元設定的預設值，中央單元就會發出啟動命令，各采集模塊就采集零序電流值。經過中央單元分析計算后判斷接地線路，并顯示輸出線路編碼、故障時間等信息。

3.3 改造裝置特點分析

（1）該技術基于多CPU構架，能夠有效增加采樣點數，提高采樣精度。多CPU同一時刻對線路進行采樣，消除了接地過程中系統信號干擾。改善了原來通過5次諧波及暫態高頻分量采樣技術的不足。

（2）系統采用的是分散式結構。將采集模塊安裝在高壓開關柜下，能夠很好地降低干擾和解決CT不平衡問題。通過對數據進行實時處理，提高了速度和精度。系統采樣頻率達16kHz，AD分辨率16位。

（3）系統主要原理是利用暫態信號，信號強度高，分辨率強，可以被很好地采集。利用暫態信號進行判斷，不受消弧線圈的影響，提高了判線準確率。另外，目前微電子技術發展迅速，能夠更有效地捕捉暫態過程，記錄時間很短的接地故障，對于瞬時間歇性故障的判斷有著非常高的準確度。

（4）系統還有一些比較好的優點，如現場自適應技術可以確保測量的全面性；觸摸液晶屏幕可以簡化操控，提供多種信息；具有RS232或RS485通訊接口，為后期自動化配套提供基礎等。

4 改造實施效果

同忻煤礦對選線設備的改造在同煤集團屬于首例，通過實際使用發現，相比原有的選線技術，新裝置能夠有效提高判斷精度，縮短處理故障的時間，可以進行推廣。

通過對使用后的10kV變電所進行故障統計，可得對比數據如表1所示（半年數據）。從表1中可以看出，改造后確實明顯提高了判斷準確性。而且，根據現場來看，過去處理接地故障動輒需要兩三個小時，而現在只需要半小時左右，有效提高了系統穩定性和可靠性。

表1 選線技術改造前后數據

5 總結

（1）針對同忻煤礦10kV變電所存在的接地故障查找不方便等問題，通過分析原有接地故障選線技術，從原理和硬件兩個方面分析了新型選線技術的主要技術特點：即利用暫態分析，配合多CPU構架，這樣既消除了信號影響，又進行了同時采樣，精度更高，判斷更準。

（2）通過系統改造，結合同忻煤礦半年監測數據發現，改造后無論是實接地還是瞬時接地故障的判斷準確性都有了大幅的提高。另外，對接地故障的處理時間也有了大幅的降低，實踐效果良好。

（3）該改造技術在同煤集團屬于首例，經過驗證可以進行進一步的推廣，具有一定的參考性。