對稱分量法在井下電網故障保護中的應用分析

曹 興

(潞安環保能源開發股份有限公司，山西 長治 046204)

為保證人身安全、減小單相接地電流產生火花而引起瓦斯、煤塵爆炸的可能性，我國煤礦井下低壓配電網普遍采用變壓器中性點不接地三相交流供電系統[1]。

目前，井工煤礦井下電網主要采用礦用電纜連接變壓器、饋電開關、磁力啟動器、軟啟動裝置或變頻器的架構為井下各類負載供電。據不完全統計，單相漏電和單相接地約占井下電網總故障的70%，井下移變和饋電開關常用的PIR系列綜合保護器應用附加直流電源檢測法、零序電壓法、零序電流法等其中一種原理實現漏電保護有一定局限性和缺點[2-6]，在井下現場實際應用過程中，移變低壓頭和饋電開關漏電保護都采用附加直流電源檢測法時，常常會出現負載送電時漏電保護誤動作現象，影響井下電氣設備和負載的安全可靠運轉，而對稱分量法是分析三相電力系統不平衡狀態的有效方法，其基本思想是借鑒物理矢量的合成分解原理將電網故障時產生的三相不平衡正弦電量分解成三相對稱的正序分量、負序分量和零序分量[7]。本文將故障狀態時的零序分量鑒別法和常用的附加直流電源檢測法相結合應用于井下開關的漏電保護，有效避免了井下總饋電和分饋電保護同時作用時的誤動作，保證故障狀態時有選擇性切斷故障支路，保障井下供電系統的安全可靠性。

1 對稱分量法基本原理分析

煤礦井下供電系統是ABC三相交流系統，對稱分量法中的正序、負序和零序分量是根據三相正弦相量的相序來定義的，以電壓為例，如圖1所示。

圖1 對稱分量法中的正序、負序和零序分量示意

正序分量：A相電壓相位角為0°，B相電壓相位角為120°，C相電壓相位角為240°；

負序分量：A相電壓相位角為0°，B相電壓相位角為240°，C相電壓相位角為120°；

零序分量：A相、B相和C相電壓相位都是0°。

選擇A相電壓為參考基準相，即A相相位為0，井下供電系統中三相交流相量與其對稱分量之間的關系為[3]：

UA=UA正+UA負+U0

UB=α2UA正+αUA負+U0

(1)

UC=αUA正+α2UA負+U0

式(1)中，α為旋轉因子，α=ej120°，α2=ej240°，UA、UB和UC為A、B、C三相交流相量，UA正為A相的正序分量，UA負為A相的負序分量，U0為A、B、C三相的零序分量，三相的零序分量相同，由上式聯立求解得：

(2)

對于正常工作三相對稱的井下供電系統，負序和零序分量為零，系統出現各類故障時，通常就變得三相不再對稱。井下電網供電系統中發生單相接地故障時，系統產生正序、負序和零序分量；發生兩相短路故障時，系統產生正序和負序分量；發生兩相短路接地故障時，系統產生正序、負序和零序分量；三相短路故障和正常運行時，系統僅有正序分量[8-9]。

2 對稱分量法在井下電網故障保護中的分析應用

以單相對地漏電短路故障為例進行分析，圖2為井下供電電網等效電路圖。

圖2 井下供電電網等效電路

3條出線支路L1、L2和L3，每條支路對地電容分別為C1、C2和C3，則任一相對地總電容為CZ=C1+C2+C3，正常情況下，電源為星形的相位互差120°對稱三相正弦交流相電壓，用相量表示為UA、UB和UC，變壓器二次側中性點N對地電壓UN為0，由于電源電壓、三相電容和三相電機感性負載都對稱，則任一支路中負序、零序電壓和負序、零序電流的相量和都為0。

以L3的C相對地短路時產生的零序分量為例進行分析，見圖2所示，UN+UC=0，則有：UN=-UC，A相和B相的對地電壓U'A和U'B為：

由式(2)得，零序電壓為：

依據上述結論，可監測零序電壓數值大小判斷出C相發生接地，但是無法明確是哪一條支路發生接地故障，無法實現選擇性切斷故障支路。繼續對零序電流進行分析，故障相的電容電流為0：

IC1=IC2=IC3=0

L1出線A相和B相的電容電流IA1和IB1為：

同理可得，L2和L3出線A相和B相的電容電流IA2、IB2、IA3、IB3：

L1線路中三相電流不對稱，由對稱分量法可得，其零序分量為：

同理可得，L2線路中零序電流為：

I20=UωC2∠30°

按照圖1所示參考方向，接地電流Id為：

Id=-(IA1+IA2+IA3+IB1+IB2+IB3)=3UωC∑∠-150°

則，L3線路中零序電流分量為：

=-(I10+I20)

=Uω(C1+C2)∠-150°

以UA為參考相量，零序電壓和零序電流的相量圖如圖3所示。

圖3 L3支路C相接地故障時零序電壓和零序電流相量

顯然，對于非故障的L1和L2支路，零序電流超前零序電壓90°相位角呈電容特性；對于L3故障支路，零序電壓超前零序電流90°相位角，呈電感特性。依此特性，采樣檢測零序電壓和零序電流，依據相位關系，可判斷出故障支路，選擇性切斷故障支路，降低電路故障的波及范圍。井下1 140 V/660 V供電用饋電開關配置可互相切換的附加直流電源漏電保護和零序分量漏電保護兩種裝置，用作總饋電開關時，采用附加直流電源檢測裝置[10]，用作分饋電開關時，采用零序分量漏電保護檢測裝置。

以潞安集團某礦井下膠帶機頭驅動電機供電系統為例，移動變壓器低壓頭采用附加直流電源漏電保護，當下一級分饋電開關也采用附加直流電源漏電保護裝置時，由于兩套附加直流電源保護裝置同時檢測接地電流，截面增大電阻減小，移動變壓器低壓頭常常在帶式輸送機啟動運轉過程中出現誤動作情況。將下一級分饋電開關撥檔切換到零序分量漏電保護裝置時，低壓頭和饋電開關未再發生誤動作現象，帶式輸送機負載運轉正常，漏電故障狀態下，選擇性切斷故障支路，有效保障了井下低壓供電網絡的安全性和可靠性。

3 結 語

煤礦井下供電系統常出現單相接地和兩相短路接地故障，依據對稱分量法分解出的負序分量或零序分量，對故障類型和故障支路進行鑒別，依據饋電開關用途，分別采用附加直流電源裝置和零序分量檢測裝置實現漏電保護，應用到井下現場電機負載后，既避免了總饋電和分饋電同時應用附加直流電源檢漏裝置時的誤動作，又能實現接地故障時安全可靠切斷故障支路。