小電流選線裝置的改造分析與應(yīng)用實踐

趙治祥

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)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(dān)負(fù)著地面運(yùn)輸系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等多方面供電負(fù)荷，負(fù)荷類型比較復(fù)雜，分布范圍較廣，導(dǎo)致變電所經(jīng)常出現(xiàn)接地故障，如果變電所內(nèi)高壓設(shè)備出現(xiàn)故障，目前常用的方法是人工依次跳合出線開關(guān)來查找故障點(diǎn)，頻繁的處理故障既浪費(fèi)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(shù)解決這一問題，改善電能質(zhì)量，提高供電可靠性是十分必要的。新的選線裝置要能準(zhǔn)確進(jìn)行故障檢測，并發(fā)出信號。

2 系統(tǒng)選線技術(shù)分析

2.1 選線原理

小電流自動選線技術(shù)早在二十世紀(jì)五十年代就開始應(yīng)用了。接地系統(tǒng)正常運(yùn)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(dá)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(fā)現(xiàn)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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈產(chǎn)生的補(bǔ)償作用，導(dǎo)致故障線路與非故障線路零序電流數(shù)值不能主群內(nèi)確定，因此選線裝置準(zhǔn)確率大大下降。

2.2 選線方案分析

傳統(tǒng)的選線方法主要以穩(wěn)態(tài)分量法為主。穩(wěn)態(tài)分量法主要是對零序電流進(jìn)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(jīng)不能適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地方式。后來，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)中常用5次諧波作為判斷依據(jù)。但是，5次諧波在系統(tǒng)中含量比較小（2%～3%左右），穩(wěn)定性也比較差，很容易受到干擾，影響選線準(zhǔn)確性。而且由于受到硬件條件的影響（主要是單一CPU），采樣點(diǎn)數(shù)較少，使得采樣精度受到較大影響。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，選線技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步，陸續(xù)出現(xiàn)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(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這些不是很理想的方案主要問題仍然是以穩(wěn)態(tài)分析為主，忽略了系統(tǒng)故障瞬間的暫態(tài)信號。因此，要想提高選線精度，應(yīng)該捕捉暫態(tài)信號，再結(jié)合穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行分析。

2.3 對新方案的技術(shù)要求

（1）同時性。接地故障瞬間出現(xiàn)的暫態(tài)分量頻率很高（300～3000Hz），如果采用單CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)方案必須能夠保證采樣的同時性。

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

3 改造方案分析

3.1 改造方案原理

根據(jù)上面的分析可知，改造方案主要應(yīng)集中在兩個方面。

（1）原理。要以暫態(tài)分析為主，結(jié)合穩(wěn)態(tài)分析，得到更準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。系統(tǒng)接地時，由于狀態(tài)改變，會形成幅值很大的沖擊電流，而且不會被消弧線圈補(bǔ)償?shù)簟?/p>

（2）硬件。為了確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和同時性，要對單一CPU進(jìn)行改造，在每條饋出線上安裝采樣模塊進(jìn)行采樣。這樣可以在一周波內(nèi)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(jīng)過反復(fù)的思考和實驗分析，對改造方案進(jìn)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(tǒng)示意圖

新的選線系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jìn)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(jìn)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(tǒng)裝置中，核心部件是中央單元。如果系統(tǒng)發(fā)生接地故障的話，PT開口三角電壓超出中央單元設(shè)定的預(yù)設(shè)值，中央單元就會發(fā)出啟動命令，各采集模塊就采集零序電流值。經(jīng)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(diǎn)分析

（1）該技術(shù)基于多CPU構(gòu)架，能夠有效增加采樣點(diǎn)數(shù)，提高采樣精度。多CPU同一時刻對線路進(jìn)行采樣，消除了接地過程中系統(tǒng)信號干擾。改善了原來通過5次諧波及暫態(tài)高頻分量采樣技術(shù)的不足。

（2）系統(tǒng)采用的是分散式結(jié)構(gòu)。將采集模塊安裝在高壓開關(guān)柜下，能夠很好地降低干擾和解決CT不平衡問題。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，提高了速度和精度。系統(tǒng)采樣頻率達(dá)16kHz，AD分辨率16位。

（3）系統(tǒng)主要原理是利用暫態(tài)信號，信號強(qiáng)度高，分辨率強(qiáng)，可以被很好地采集。利用暫態(tài)信號進(jìn)行判斷，不受消弧線圈的影響，提高了判線準(zhǔn)確率。另外，目前微電子技術(shù)發(fā)展迅速，能夠更有效地捕捉暫態(tài)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(zhǔn)確度。

（4）系統(tǒng)還有一些比較好的優(yōu)點(diǎn)，如現(xiàn)場自適應(yīng)技術(shù)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(chǔ)等。

4 改造實施效果

同忻煤礦對選線設(shè)備的改造在同煤集團(tuán)屬于首例，通過實際使用發(fā)現(xiàn)，相比原有的選線技術(shù)，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(jìn)行推廣。

通過對使用后的10kV變電所進(jìn)行故障統(tǒng)計，可得對比數(shù)據(jù)如表1所示（半年數(shù)據(jù)）。從表1中可以看出，改造后確實明顯提高了判斷準(zhǔn)確性。而且，根據(jù)現(xiàn)場來看，過去處理接地故障動輒需要兩三個小時，而現(xiàn)在只需要半小時左右，有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

表1 選線技術(shù)改造前后數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

（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(shù)，從原理和硬件兩個方面分析了新型選線技術(shù)的主要技術(shù)特點(diǎn)：即利用暫態(tài)分析，配合多CPU構(gòu)架，這樣既消除了信號影響，又進(jìn)行了同時采樣，精度更高，判斷更準(zhǔn)。

（2）通過系統(tǒng)改造，結(jié)合同忻煤礦半年監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，改造后無論是實接地還是瞬時接地故障的判斷準(zhǔn)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(shù)在同煤集團(tuán)屬于首例，經(jīng)過驗證可以進(jìn)行進(jìn)一步的推廣，具有一定的參考性。