基于零序基波時序鑒別原理的高壓選擇性漏電保護在煤礦供電系統中的應用

馬亞東

摘要：GJWJ-IV型小電流接地系統單相接地選線裝置，該裝置采用零序基波時序鑒別選線原理，突破傳統思維，直接應用零序基波信號實現消弧線圈接地系統過補償運行方式下的單相接地準確選線，符合電網實際，能夠提高6KV電網運行的穩定性。

一、研究報告

2.1零序基波時序鑒別法基本原理

GJWJ-IV型選線裝置用以實現單相接地選線的零序基波“時序鑒別器”的工作原理——“時序鑒別法”。U0J是由零序交流電壓u0變換來的180度規則方波，作為時序鑒別的基準信號。I0是由零序交流電流i0變換來的脈寬和相位不確定的方波，I0的脈寬一般為180度，但若零序電流幅值過小，則I0的脈寬將遠小于180度甚至為零。I0相對于U0J的相位隨電網是無補償、欠補償還是過補償而從左向右變動。如圖1所示，當單相接地故障發生后，若某條線路的零序電流對應的I0方波與U0J方波的時序關系同時滿足以下兩個條件的，則該線路為單相接地故障線路，如圖1中a、b所示（a對應于過補償狀態，b對應于欠補償狀態）。

（1）零序電流I0上升沿滯后于零序電壓U0J上升沿而超前零序電壓U0J下降沿，即零序電流I0上升沿界于零序電壓U0J的上升沿與下降沿之間（上升沿、下降沿也叫該方波的“前沿”和“后沿”。）。

（2）零序電流I0下降沿滯后于零序電壓U0J下降沿須大于0度而小于180度。

不能同時滿足這兩個規定條件的則為非故障線路，如圖1中的c、d、e所示。這就是應用“時序鑒別法”進行單相接地故障選線的主要判據。這里必須指出，雖然同是應用零序基波信號，但“時序鑒別法”和通常的相對相位法（比相法），或者說“時序鑒別原理”與零序功率方向原理，是根本不同的。例如圖1中d所示的I0與U0J的方波關系，按照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。

2.2 GJWJ-IV型選線裝置性能特點

（1）應用創新的時序鑒別原理和幅值鑒別相結合的故障檢測判斷原理，可用于小電流接地系統的各種接地方式和任何補償狀態下實現故障選線直接應用零序基波信號實現消弧線圈接地系統過補償運行方式下的單相接地準確選線;

（2）采用EDA技術和ispLSI器件開發專用集成電路作為時序鑒別器，取代微機選線功能。每四路饋出線用一個時序鑒別器，使選線裝置如同多CPU并行處理系統，具有高可靠性和速動性;

（3）當零序參數U0≥8V（PT開口側電壓），I0≥10mA（零序電流互感器二次側），本裝置能在100ms內準確選出故障線路;

（4）故障線路只是有燈光指示、數字顯示、音響報警，均為硬邏輯系統，因此本裝置即不靠微機選線，也不借助微機實現燈光顯示和音響報警;

（5）各路LED指示燈有故障記憶功能，能區分瞬間性故障（LED指示燈閃光）和持久性接地故障（LED指示燈平光）;

（6）具有本裝置各項技術性能的自檢演示功能

（7）通過RS485/RS232通訊接口實現本裝置與上位機之間的通訊。

2.3 GJWJ-IV型選線裝置工作原理

GJWJ-IV型選線裝置的關鍵部件是以“時序鑒別器”為核心的單相接地選線模塊。如圖2所示，從中壓電網三相母線上的電壓互感器PT開口三角側取出零序電壓u0，經小變壓器ST降壓后，u0信號送入選線模塊內;同時，從同一段母線上各饋出線的零序電流互感器CT二次側，取出零序電流i0，經各自的負載電阻R進行I/?變換后，各i0信號依次送入選線模塊的8個i0輸入端（每個模塊至多接8路i0）。

GJWJ-IV型選線裝置選線模塊的構成原理如實線框內的方塊圖所示，它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，接地選線信號輸出電路，以及單片機接口電路等組成。其中時序鑒別器是該模塊的核心，每個時序鑒別器分管4路饋出線，故每個選線模塊包含兩個時序鑒別器。時序鑒別器可以是專用單片機，也可以采用現代可編程邏輯器件構成的專用集成電路ASIC。在選線模塊內，零序電壓輸入信號U0再分為兩個支路：一路經低通濾波、阻容移相、鑒幅、整形和光電隔離后變成UOf，作為零序電壓的幅值鑒別信號;另一路經低通濾波、阻容移相后再分為兩個支路，分別對U0正半波和U0負半波進行整形和光電隔離，變成脈寬為180度的兩個相位相反的基準零序電壓U0J+和U0J-，作為時序鑒別的基準參考信號。各路零序電流，分別經低通濾波、鑒幅、整形、光電隔離后變成相位和脈寬可變的信號I0i（i=1，2，3┄）。UOJ和4路I0信號分別送入時序鑒別器。時序鑒別器依據內部設定的時序鑒別法則，分別判斷出各線路是接地故障線路還是非故障線路。若為非故障線路，時序鑒別器無信號輸出;若為接地故障線路，則經時序鑒別器判定后，就有對應的故障選線信號輸出，實現故障報警、燈光和數字顯示，以及語音報警，還可作用于跳閘等。

二、GJWJ-IV型接地選線裝置應用后的經濟和社會效益

雖然消弧線圈接地系統在實際運行中具有較好的系統性能，但由于其通常運行在過補償狀態下，使零序基波功率方向型高壓接地選線裝置的準確性下降。通過引入GJWJ-IV型接地選線裝置，經過近半年的運行實踐，期間發生3次接地故障，該裝置均及時正確地判斷出故障線路，從而使維護人員能快速確定故障線路，在最短時間內排除故障，大大提高了電網運行的穩定性。

三、結束語

小電流接地系統中最常見的故障是單相接地，約占所有電氣故障總和的60%。大型企業的中壓電纜網絡運行經驗表明，接地補償裝置是確保電網安全、可靠運行的必要措施，而單相接地選線裝置是諧振接地系統極為重要的組成部分，接地選線裝置的動作準確性將直接影響到企業電力系統的安全運行。GJWJ-IV型接地選線裝置較好的解決了這個問題，提高了企業電網的穩定性。