對(duì)稱分量法在井下電網(wǎng)故障保護(hù)中的應(yīng)用分析

曹 興

(潞安環(huán)保能源開發(fā)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(chǎn)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(wǎng)普遍采用變壓器中性點(diǎn)不接地三相交流供電系統(tǒng)[1]。

目前，井工煤礦井下電網(wǎng)主要采用礦用電纜連接變壓器、饋電開關(guān)、磁力啟動(dòng)器、軟啟動(dòng)裝置或變頻器的架構(gòu)為井下各類負(fù)載供電。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，單相漏電和單相接地約占井下電網(wǎng)總故障的70%，井下移變和饋電開關(guān)常用的PIR系列綜合保護(hù)器應(yīng)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(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)有一定局限性和缺點(diǎn)[2-6]，在井下現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中，移變低壓頭和饋電開關(guān)漏電保護(hù)都采用附加直流電源檢測法時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)負(fù)載送電時(shí)漏電保護(hù)誤動(dòng)作現(xiàn)象，影響井下電氣設(shè)備和負(fù)載的安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，而對(duì)稱分量法是分析三相電力系統(tǒng)不平衡狀態(tài)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(wǎng)故障時(shí)產(chǎn)生的三相不平衡正弦電量分解成三相對(duì)稱的正序分量、負(fù)序分量和零序分量[7]。本文將故障狀態(tài)時(shí)的零序分量鑒別法和常用的附加直流電源檢測法相結(jié)合應(yīng)用于井下開關(guān)的漏電保護(hù)，有效避免了井下總饋電和分饋電保護(hù)同時(shí)作用時(shí)的誤動(dòng)作，保證故障狀態(tài)時(shí)有選擇性切斷故障支路，保障井下供電系統(tǒng)的安全可靠性。

1 對(duì)稱分量法基本原理分析

煤礦井下供電系統(tǒng)是ABC三相交流系統(tǒng)，對(duì)稱分量法中的正序、負(fù)序和零序分量是根據(jù)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(duì)稱分量法中的正序、負(fù)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(fù)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(zhǔn)相，即A相相位為0，井下供電系統(tǒng)中三相交流相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系為[3]：

UA=UA正+UA負(fù)+U0

UB=α2UA正+αUA負(fù)+U0

(1)

UC=αUA正+α2UA負(fù)+U0

式(1)中，α為旋轉(zhuǎn)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(fù)為A相的負(fù)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(lián)立求解得：

(2)

對(duì)于正常工作三相對(duì)稱的井下供電系統(tǒng)，負(fù)序和零序分量為零，系統(tǒng)出現(xiàn)各類故障時(shí)，通常就變得三相不再對(duì)稱。井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生正序、負(fù)序和零序分量；發(fā)生兩相短路故障時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生正序和負(fù)序分量；發(fā)生兩相短路接地故障時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生正序、負(fù)序和零序分量；三相短路故障和正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)僅有正序分量[8-9]。

2 對(duì)稱分量法在井下電網(wǎng)故障保護(hù)中的分析應(yīng)用

以單相對(duì)地漏電短路故障為例進(jìn)行分析，圖2為井下供電電網(wǎng)等效電路圖。

圖2 井下供電電網(wǎng)等效電路

3條出線支路L1、L2和L3，每條支路對(duì)地電容分別為C1、C2和C3，則任一相對(duì)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(duì)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(cè)中性點(diǎn)N對(duì)地電壓UN為0，由于電源電壓、三相電容和三相電機(jī)感性負(fù)載都對(duì)稱，則任一支路中負(fù)序、零序電壓和負(fù)序、零序電流的相量和都為0。

以L3的C相對(duì)地短路時(shí)產(chǎn)生的零序分量為例進(jìn)行分析，見圖2所示，UN+UC=0，則有：UN=-UC，A相和B相的對(duì)地電壓U'A和U'B為：

由式(2)得，零序電壓為：

依據(jù)上述結(jié)論，可監(jiān)測零序電壓數(shù)值大小判斷出C相發(fā)生接地，但是無法明確是哪一條支路發(fā)生接地故障，無法實(shí)現(xiàn)選擇性切斷故障支路。繼續(xù)對(duì)零序電流進(jìn)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(duì)稱，由對(duì)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?qǐng)D1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(shí)零序電壓和零序電流相量

顯然，對(duì)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(duì)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(jù)相位關(guān)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(guān)配置可互相切換的附加直流電源漏電保護(hù)和零序分量漏電保護(hù)兩種裝置，用作總饋電開關(guān)時(shí)，采用附加直流電源檢測裝置[10]，用作分饋電開關(guān)時(shí)，采用零序分量漏電保護(hù)檢測裝置。

以潞安集團(tuán)某礦井下膠帶機(jī)頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電系統(tǒng)為例，移動(dòng)變壓器低壓頭采用附加直流電源漏電保護(hù)，當(dāng)下一級(jí)分饋電開關(guān)也采用附加直流電源漏電保護(hù)裝置時(shí)，由于兩套附加直流電源保護(hù)裝置同時(shí)檢測接地電流，截面增大電阻減小，移動(dòng)變壓器低壓頭常常在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)誤動(dòng)作情況。將下一級(jí)分饋電開關(guān)撥檔切換到零序分量漏電保護(hù)裝置時(shí)，低壓頭和饋電開關(guān)未再發(fā)生誤動(dòng)作現(xiàn)象，帶式輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)正常，漏電故障狀態(tài)下，選擇性切斷故障支路，有效保障了井下低壓供電網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

3 結(jié) 語

煤礦井下供電系統(tǒng)常出現(xiàn)單相接地和兩相短路接地故障，依據(jù)對(duì)稱分量法分解出的負(fù)序分量或零序分量，對(duì)故障類型和故障支路進(jìn)行鑒別，依據(jù)饋電開關(guān)用途，分別采用附加直流電源裝置和零序分量檢測裝置實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，應(yīng)用到井下現(xiàn)場電機(jī)負(fù)載后，既避免了總饋電和分饋電同時(shí)應(yīng)用附加直流電源檢漏裝置時(shí)的誤動(dòng)作，又能實(shí)現(xiàn)接地故障時(shí)安全可靠切斷故障支路。