莊 偉,牟龍華,童榮斌
(同濟(jì)大學(xué)電氣工程系,上海 201804)
基于羅氏線(xiàn)圈二次信號(hào)的煤礦高壓電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位
莊 偉,牟龍華,童榮斌
(同濟(jì)大學(xué)電氣工程系,上海 201804)
煤礦高壓電網(wǎng)的單相接地保護(hù)仍需依靠動(dòng)作時(shí)間的級(jí)差配合以實(shí)現(xiàn)縱向的選擇性,這對(duì)井下供電安全是潛在的威脅。為此,分析并闡明了煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障時(shí)各線(xiàn)路區(qū)段零序電流的基波有功分量、高次諧波無(wú)功分量的分布特點(diǎn);同時(shí)提出將羅氏線(xiàn)圈引入到零序電流信號(hào)的檢測(cè)中,對(duì)其二次側(cè)電壓信號(hào)的幅值與相角特性的分析表明利用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量零序電流可有效提升諧波分量在被測(cè)電流中的含量比例。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于羅氏線(xiàn)圈二次側(cè)信號(hào)的綜合零序電流判據(jù),并給出了煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位算法。該算法不僅可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差的單相接地故障區(qū)段定位,而且可有效提高單相接地保護(hù)的靈敏度。建立了基于PSCAD/EMTDC的10 kV煤礦高壓電網(wǎng)模型,通過(guò)典型故障仿真驗(yàn)證了算法的正確性。
補(bǔ)償電網(wǎng);煤礦電網(wǎng);單相接地;羅氏線(xiàn)圈;綜合零序電流;故障定位
單相接地(漏電)故障是煤礦井下電網(wǎng)最為常見(jiàn)的故障。根據(jù)煤礦安全規(guī)程,井下高壓電網(wǎng)必須將單相接地電流限制在20 A以下,越來(lái)越多的礦井高壓電網(wǎng)裝設(shè)了消弧線(xiàn)圈來(lái)限制單相接地電流;地面變電站和井下中央變電所的高壓饋電線(xiàn)上,以及采區(qū)變電所中供移動(dòng)變電站的高壓饋電線(xiàn)上,均必須裝設(shè)有選擇性的單相接地保護(hù)裝置?,F(xiàn)有的接地選線(xiàn)保護(hù)裝置雖然利用集中式選線(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)了橫向的選擇性,但上下級(jí)選線(xiàn)保護(hù)之間缺乏信息交互,只能依靠保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向的選擇性。由于井下電網(wǎng)工作環(huán)境惡劣,延時(shí)的存在加大了單相接地故障形成的電弧引起瓦斯與煤塵爆炸的可能性。顯然,這對(duì)于井下供電安全無(wú)疑是一種潛在的威脅。此外,由于消弧線(xiàn)圈的引入,使得傳統(tǒng)的基于零序電流方向與大小或零序功率的選線(xiàn)方法失效。文獻(xiàn)[1]提出了基于故障分量有功功率與諧波功率融合的選線(xiàn)原理,較好的解決了煤礦井下補(bǔ)償電網(wǎng)單相接地故障的選線(xiàn)問(wèn)題。但在某些情況下,零序電流有功分量和諧波信號(hào)在零序電流中的比例不大,傳統(tǒng)的電磁式零序電流互感器在小信號(hào)下精度與線(xiàn)性度不佳,可能造成選線(xiàn)錯(cuò)誤。
Rogowski線(xiàn)圈具有精度高、線(xiàn)性度好等優(yōu)點(diǎn),作為電流檢測(cè)工具的傳感頭被廣泛用于電力系統(tǒng)故障檢測(cè)領(lǐng)域[2]。本文將Rogowski線(xiàn)圈引入到煤礦高壓電網(wǎng)零序電流信號(hào)檢測(cè)中,以提高煤礦高壓電網(wǎng)的選線(xiàn)準(zhǔn)確度。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差的單相接地故障區(qū)段定位,本文提出了基于羅氏線(xiàn)圈二次側(cè)信號(hào)的礦井高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位算法。
煤礦高壓電網(wǎng)是輻射型多段多分支結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò),在正常運(yùn)行情況下其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在不影響分析結(jié)果的前提下,將圖1所示的煤礦高壓電網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到以集中參數(shù)表示的單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。圖中,L為消弧線(xiàn)圈電感;R為消弧線(xiàn)圈電阻與并聯(lián)電阻的等效值。假設(shè)線(xiàn)路BH段的F點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障。其中F為故障點(diǎn)電動(dòng)勢(shì);0F為故障點(diǎn)零序電壓;RF為故障點(diǎn)過(guò)渡電阻;0BH為該線(xiàn)路首端測(cè)得的零序電流,規(guī)定電流從母線(xiàn)指向線(xiàn)路為正方向;C0BF和C0FH分別為故障點(diǎn)前后線(xiàn)路的每相對(duì)地電容。其余線(xiàn)路區(qū)段上同類(lèi)符號(hào)意義相同。
圖1 礦井高壓電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of high voltage power grid of coalmine
圖2 煤礦電網(wǎng)單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Equivalent zero sequence network of singlephase ground fault in coalmine distribution network
當(dāng)電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈并聯(lián)電阻接地時(shí)(串聯(lián)電阻接地方式可等效為并聯(lián)方式),考慮到電網(wǎng)中諧波成份,根據(jù)疊加定理,可得到非故障線(xiàn)路首端的基波(m=1)與m次諧波(m=5,7)零序電流表達(dá)式為
其中,L∈{AC,AD,BE,EI,EJ,BG,HK,HL};C0ΣL為該線(xiàn)路及其下游所有線(xiàn)路每相對(duì)地電容之和。同樣得到故障線(xiàn)路首端的基波與m次諧波零序電流為
式中,C0Σ1=C0AC+C0AD;C0Σ2=C0EI+C0EJ+C0BE+C0BG+ C0AB+C0AC+C0AD。
煤礦電網(wǎng)有著樹(shù)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與配電網(wǎng)一樣由有限的節(jié)點(diǎn)以及聯(lián)通它們的分支構(gòu)成[3],且任意兩節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)通路徑是惟一的。結(jié)合式(1)~(3)可知,零序電流中的有功分量通過(guò)惟一的路徑流向變壓器的中性點(diǎn),經(jīng)過(guò)大地與故障點(diǎn)形成回路。為便于后文論述,將該路徑稱(chēng)為故障路徑,構(gòu)成該路徑的線(xiàn)路稱(chēng)為故障路徑線(xiàn)路,其余線(xiàn)路稱(chēng)為非故障路徑線(xiàn)路。圖2中,線(xiàn)路AB和BH為故障路徑線(xiàn)路,其余均為非故障路徑線(xiàn)路。結(jié)合圖2和式(1)~(3),可得到:
(1)故障路徑線(xiàn)路首端測(cè)得的零序電流基波的有功分量只取決于和R,故障路徑上所有線(xiàn)路的零序電流有功分量相同;非故障路徑線(xiàn)路首端測(cè)得的零序電流基波的有功分量為0。
(2)m足夠大時(shí),故障路徑線(xiàn)路首端測(cè)得的零序電流m次諧波分量的相位滯后略大于90°;非故障路徑線(xiàn)路首端測(cè)得的零序電流m次諧波分量的相位近似超前90°。
與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比,羅氏線(xiàn)圈有更高的測(cè)量精度(高于0.1%),更廣的測(cè)量范圍(幾安培到數(shù)千安培)和頻率響應(yīng)范圍(0.1 Hz到超過(guò)1 MHz)。對(duì)圖3所示的羅氏線(xiàn)圈測(cè)量電路,R為取樣電阻(為保證羅氏線(xiàn)圈工作于微分狀態(tài)并最小化測(cè)量穩(wěn)態(tài)電流的幅值與相角誤差,R阻值較大)。
圖3 羅氏線(xiàn)圈的測(cè)量原理Fig.3 Measurement principle of the Rogowski coil
R上的輸出電壓v(t)[4]可表示為
其中,μ0為真空磁導(dǎo)率;N為繞組密度;S為線(xiàn)圈截面積;ij(t),j={1,2,…,n},為待測(cè)線(xiàn)路中流過(guò)的電流;M為線(xiàn)圈互感,M=μ0NS。顯然,當(dāng)待測(cè)電流為iA(t),iB(t)和iC(t)時(shí),有
即羅氏線(xiàn)圈的輸出電壓正比于3倍的零序電流的導(dǎo)數(shù)。電網(wǎng)中出現(xiàn)單相接地故障時(shí),考慮基波和5,7次諧波分量的零序電流通用表達(dá)式為
其中,I0(DC)和I0(m)分別為零序電流中衰減直流分量與m次諧波分量的幅值;ω1為基波角頻率。結(jié)合式(4)可知,使用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量該零序電流其二次側(cè)輸出電壓如式(6)所示。
由于衰減直流分量可借助相應(yīng)算法去除,為便于分析,將式(5),(6)簡(jiǎn)化為
顯然,羅氏線(xiàn)圈二次側(cè)電壓信號(hào)與被測(cè)零序電流信號(hào)的余弦部分各項(xiàng)之間相位與幅值關(guān)系如下。相位關(guān)系:
諧波(m=5,7)相對(duì)于基波的含量比例關(guān)系如式(9)所示。
顯然,利用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量零序電流不僅可正確反映被測(cè)電流中各項(xiàng)的相對(duì)相位關(guān)系,還能有效提升諧波分量在被測(cè)電流中的含量比例,有利于提高諧波分量選線(xiàn)判據(jù)的靈敏度。
3.1 綜合零序電流判據(jù)
圖4 零序基波與諧波電壓與電流相量關(guān)系Fig.4 Phasors of fundamental and harmonic of zero sequence voltage and current
綜上分析可知,故障路徑線(xiàn)路的I0(1)_AC與I0(m)_RC均為正值,非故障路徑線(xiàn)路的I0(1)_AC與I0(m)_RC分別為0或負(fù)值,將其相加融合后可顯著拉大故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路判據(jù)值的區(qū)別,以提高判據(jù)的靈敏度。構(gòu)造故障路徑線(xiàn)路區(qū)段的綜合零序電流判據(jù)如下:
顯然,使用一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝礗0sy_nset(>0),即可判定某條線(xiàn)路是否屬于故障路徑線(xiàn)路。由于Is0yn的第2項(xiàng)為基于諧波分量的定位判據(jù),根據(jù)第2節(jié)的分析,使用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量零序電流可以顯著提升綜合零序電流判據(jù)的靈敏度。
3.2 煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位判據(jù)
目前,小電流接地故障選線(xiàn)裝置間缺乏數(shù)據(jù)交互,其縱向選擇性只能依靠動(dòng)作時(shí)間級(jí)差來(lái)實(shí)現(xiàn)。若將故障時(shí)各母線(xiàn)及其饋線(xiàn)的零序電壓和零序電流信息實(shí)現(xiàn)符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享[7],即可確定故障路徑線(xiàn)路,進(jìn)而確定故障線(xiàn)路段,實(shí)現(xiàn)縱向的無(wú)級(jí)差選擇性接地保護(hù)。
規(guī)定從電源變壓器向負(fù)載方向?yàn)檎较?將配網(wǎng)的L條線(xiàn)路分別編號(hào),保護(hù)裝置與所在線(xiàn)路編號(hào)相同(即l號(hào)線(xiàn)路首端裝設(shè)的保護(hù)裝置編號(hào)為l)。以線(xiàn)路為邊,保護(hù)裝置為節(jié)點(diǎn)[8-9],按照式(13)的規(guī)則建立配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息矩陣
其中,l(l=1,2,…,L)為保護(hù)裝置的編號(hào)。其他情況定義為:某些保護(hù)裝置或通信故障導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)未能獲取正確的綜合零序電流信息,此時(shí)式(14)將該節(jié)點(diǎn)信息設(shè)為0。這樣雖然擴(kuò)大了故障范圍,但可切除故障區(qū)段的上級(jí)線(xiàn)路,確保排除故障。計(jì)算式(15)
得到行向量
找出Fl=1,l即為故障所在線(xiàn)路的編號(hào)。
圖5 初始信號(hào)i(t)與羅氏線(xiàn)圈二次側(cè)輸出信號(hào)v(t)Fig.5 Original signal i(t)and secondaryside output v(t)of Rogowski coil
4.1 羅氏線(xiàn)圈測(cè)量零序電流傳變特性實(shí)測(cè)
使用輸入/輸出特性為50 A/50 mV的羅氏線(xiàn)圈測(cè)量模擬零序電流信號(hào)。初始信號(hào)i(t)基波分量幅值為30 A,5,7次諧波分量幅值分別為基波的5.3%和1.5%。示波器記錄的i(t)與羅氏線(xiàn)圈二次側(cè)輸出信號(hào)v(t)分別如圖5(a)中實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)所示(圖5(a)和5(b)均為雙縱軸圖,左右兩側(cè)縱軸分別表示i(t)和v(t)的幅值范圍)。錄波數(shù)據(jù)輸入Matlab,經(jīng)截止頻率為450 Hz的2階Butterworth低通濾波器處理后,信號(hào)如圖5(b)所示。對(duì)圖5(b)中信號(hào)做傅里葉分析,結(jié)果見(jiàn)表1,v(t)中基波及各諧波分量與i(t)各對(duì)應(yīng)分量的相位差均為90°左右;v(t)中5,7次諧波的含量與i(t)相比有顯著提升,分別為26.15%和10.23%,是初始信號(hào)5,7次諧波含量比例的4.93倍與6.82倍。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合式(7)與式(9)的分析。由于本實(shí)驗(yàn)使用的羅氏線(xiàn)圈并非針對(duì)測(cè)量小電流設(shè)計(jì),導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析結(jié)果存在一定的誤差。相關(guān)研究[5-6,10]表明,使用特殊的制作工藝以及適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施,可令羅氏線(xiàn)圈測(cè)量小電流的精度達(dá)到0.2級(jí)且有足夠的頻率范圍,完全可滿(mǎn)足綜合零序電流判據(jù)式(12)對(duì)測(cè)量精度的要求。
表1 i(t)與v(t)的諧波分量含量比例與相位差Table 1 Phase difference and ratio of harmonic com ponent of i(t)and v(t)
4.2 仿真系統(tǒng)
按照?qǐng)D2的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),在PSCAD/EMTDC中搭建煤礦10 kV配電網(wǎng)仿真模型如圖6所示。圖中,變壓器容量為50 MV·A,AC,AD為架空線(xiàn)路,長(zhǎng)度均為5 km。其余線(xiàn)路為電纜線(xiàn)路,AB段長(zhǎng)3 km;BE, BG,BH段長(zhǎng)8 km;EI,EJ,HL,HK段長(zhǎng)均為1 km。架空線(xiàn)路參數(shù):R0=0.23Ω/km,R1=0.096Ω/km,L0= 3.66 mH/km,L1=1.22 mH/km,C0=0.007μF/km,C1=0.011μF/km;電纜線(xiàn)路參數(shù):R0=0.34Ω/km,R1= 0.11Ω/km,L0=1.54 mH/km,L1=0.52 mH/km,C0= 0.19μF/km,C1=0.29μF/km。全網(wǎng)電容電流為32.42 A。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈并聯(lián)電阻接地,運(yùn)行于脫諧度為10%的過(guò)補(bǔ)償狀態(tài);消弧線(xiàn)圈電感L=0.515 6 H,并聯(lián)電阻R=1 200Ω[11]。負(fù)載Load1,3,5,7為電力電子負(fù)載,其余為異步電機(jī)負(fù)載,系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)5, 7次電壓諧波含量不超過(guò)工頻量的3.2%[12]。
圖6 煤礦10 kV配電網(wǎng)仿真模型Fig.6 Simulation model of coalmine 10 kV distribution network
4.3 算例仿真
算例1:BG段故障。當(dāng)BG段線(xiàn)路中間出現(xiàn)過(guò)渡電阻分別為1,500和1 000Ω的單相接地故障時(shí),各條線(xiàn)路的保護(hù)裝置測(cè)得的綜合零序電流判據(jù)見(jiàn)表2。根據(jù)式(14)計(jì)算得到故障特征行向量
由F5=1可知故障位于BG段(5號(hào))線(xiàn)路。
算例2:HL(10號(hào))區(qū)段末端故障。當(dāng)HL段線(xiàn)路末端出現(xiàn)過(guò)渡電阻分別為1,500和1 000Ω的單相接地故障時(shí),各條線(xiàn)路的綜合零序電流判據(jù)見(jiàn)表2。
根據(jù)式(14)的計(jì)算結(jié)果,故障特征行向量為
表2 各線(xiàn)路區(qū)段的綜合零序電流判據(jù)Tab le 2 Syn thetic zero-sequence active pow er of all line sections
此時(shí)F6=1,即算法認(rèn)為故障出現(xiàn)于BH段(6號(hào))線(xiàn)路。雖然故障區(qū)域被擴(kuò)大了,但可確保切除出現(xiàn)故障的HL段線(xiàn)路。有利于及時(shí)排除故障,消除安全隱患。
利用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量零序電流可使零序電流中的高次諧波分量在被測(cè)電流中占的比例得到有效放大,有利于提高綜合零序電流選線(xiàn)判據(jù)的靈敏度。本文在對(duì)煤礦高壓電網(wǎng)中零序電流的分布特點(diǎn)以及使用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量該電流所產(chǎn)生的二次側(cè)電壓信號(hào)的幅值與相角特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了基于羅氏線(xiàn)圈二次側(cè)信號(hào)綜合的零序電流判據(jù),結(jié)合配網(wǎng)故障定位通用矩陣,給出了煤礦高壓電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位算法,并通過(guò)算例驗(yàn)證了該算法的正確性。結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn),該方法可實(shí)現(xiàn)煤礦高壓電網(wǎng)無(wú)級(jí)差縱向選擇性接地保護(hù)。
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Secondary signal of Rogowski coil based ground fault section location in coalm ine high-voltage distribution network
ZHUANGWei,MU Long-hua,TONG Rong-bin
(Department ofElectrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)
Currently,single-phase ground protection in coalmine high-voltage distribution network still relies on time stage difference coordination to realize the longitudinalselectivity,which poses a potential threat to power supply security.Therefore,distribution characteristics of both the active componentof zero-sequence current fundamentalwave and the reactive component of zero-sequence current harmonic component in the coalmine distribution network were analyzed and elaborated;meanwhile Rogowski coilwas introduced into the detection of zero-sequence current,the analysis of the amplitude and phase angle characters of secondary voltage signal generated in measurement of the zero-sequence current using Rogowski coil shows that the percentage of zero-sequence current harmonic component in the current beingmeasured can be effectively amplified when measured by Rogowski coil.On this basis,the criterion of synthetic zero-sequence current based on the secondary signal of Rogowski coil is proposed,and the algorithm of single-phase ground fault section location in coalmine high-voltage distribution network is presented.This algorithm not only achieves location of single-phase ground fault section without stage difference coordination,but also effectively im-proves the sensitivity of the single-phase ground protection.The correctness of the proposed algorithm is verified by typical single-phase grounding fault simulation in 10 kV coalmines high-voltage distribution network system in PSCAD/EMTDC.
compensating distribution network;coalmine power network;single-phase grounding;Rogowski coil;synthetic zero-sequence current;fault section location
TM77
A
0253-9993(2014)06-1184-07
莊 偉,牟龍華,童榮斌.基于羅氏線(xiàn)圈二次信號(hào)的煤礦高壓電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1184-1190.
10.13225/j.cnki.jccs.2013.0796
ZhuangWei,Mu Longhua,Tong Rongbin.Secondary signal of Rogowski coil based ground fault section location in coalm ine high-voltage distribution network[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1184-1190.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0796
2013-06-09 責(zé)任編輯:許書(shū)閣
上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(12ZR1451300);上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(11CXY12);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(0800219170)
莊 偉(1982—),男,山東濟(jì)南人,博士研究生。Tel:021-69589871,E-mail:headings@163.com。通訊作者:牟龍華(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:lhmu@vip.163.com