智能變電站的煤礦高壓電網(wǎng)選擇性接地保護(hù)研究

范江鋒

摘要：?jiǎn)蜗嘟拥毓收鲜敲旱V電網(wǎng)常見的故障，長(zhǎng)時(shí)間帶接地故障運(yùn)行，過電壓可能引起非故障相絕緣擊穿，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，因此必須及時(shí)找出并切除接地故障。智能變電站能實(shí)現(xiàn)全站信息的共享，因此可以根據(jù)共享的信息構(gòu)造多支路信息綜合保護(hù)判據(jù)，為解決接地保護(hù)無(wú)選擇問題提供了新的契機(jī)。研究煤礦智能變電站實(shí)現(xiàn)煤礦高壓電網(wǎng)選擇性接地保護(hù)的方案，證明了它們的準(zhǔn)確性和有效性，保證了煤礦高壓電網(wǎng)接地保護(hù)的選擇性。

關(guān)鍵詞：煤礦高壓電網(wǎng);選擇性接地保護(hù);智能變電站;

煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性是煤礦安全和正常生產(chǎn)的重要保障，由于井下環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備工作條件惡劣，導(dǎo)致單相接地故障經(jīng)常發(fā)生[1-2]。單相接地過電壓會(huì)嚴(yán)重破壞系統(tǒng)的絕緣性能，可能導(dǎo)致絕緣擊穿而引起故障擴(kuò)大，為了提高供電可靠性，保證非故障區(qū)域的正常供電，必須及時(shí)找出并有選擇性地切除單相接地故障。目前接地保護(hù)的橫向選擇性通過各級(jí)接地保護(hù)裝置的工作原理實(shí)現(xiàn)，上、下級(jí)接地保護(hù)裝置之間的縱向選擇性主要靠時(shí)間差配合來實(shí)現(xiàn)，選擇性接地保護(hù)采用的原理主要有零序電流原理、零序功率方向原理、首半波原理、諧波電流原理等，這些接地保護(hù)原理都有自身的適用范圍和缺陷，經(jīng)常導(dǎo)致選擇性失效[3-6]。多種保護(hù)原理融合的綜合選線原理能很大程度上提高選線的可靠性，但是現(xiàn)有的單臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置只能使用自身獲取的故障信息，無(wú)法獲取其他接地保護(hù)裝置的信息，因而單臺(tái)裝置的信息比較少，無(wú)法很好地保證橫向選擇性。由于保護(hù)動(dòng)作值的整定受系統(tǒng)絕緣參數(shù)、接地方式等的影響，很難實(shí)現(xiàn)上下級(jí)的合理配合，因此，單裝置的保護(hù)難以保證縱向選擇性。

為了保證接地保護(hù)的橫向選擇性和縱向選擇性，應(yīng)采用集中保護(hù)原理，將各配電開關(guān)處采集的電氣量集中進(jìn)行比較，在各保護(hù)裝置信息共享的基礎(chǔ)上，構(gòu)造相應(yīng)的算法和判據(jù)，實(shí)現(xiàn)橫向和縱向選擇性，縱向可以保證選擇性接地保護(hù)的可靠性，智能變電站技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全站底層數(shù)據(jù)的數(shù)字化和共享化，為煤礦高壓電網(wǎng)選擇性接地保護(hù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案提供了支撐。本文提出了零序全電流功率方向多支路綜合判據(jù)接地保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦高壓電網(wǎng)接地保護(hù)的橫向選擇性，提出了電網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)優(yōu)化矩陣算法故障區(qū)段定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦高壓電網(wǎng)接地保護(hù)的縱向選擇性，并設(shè)計(jì)了煤礦智能變電站實(shí)現(xiàn)選擇性接地保護(hù)的方案。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并電阻接地系統(tǒng)中，消弧線圈過補(bǔ)償、全補(bǔ)償和欠補(bǔ)償程度小時(shí)，流過故障支路的零序無(wú)功電流矢量的方向在y軸正半軸，當(dāng)欠補(bǔ)償?shù)某潭缺容^大時(shí)，流過故障支路的零序無(wú)功電流矢量的方向在y軸負(fù)半軸。考慮消弧線圈電阻和線路對(duì)地絕緣電阻等造成的有功電流分量，故障線路零序全電流的矢量落在第二象限或第三象限內(nèi)，而非故障支路零序全電流矢量落在第一象限內(nèi)。零序全電流矢量關(guān)系如圖2所示。

因此，全電流故障選線原理不用區(qū)分中性點(diǎn)是不接地方式或經(jīng)消弧線圈接地方式，根據(jù)線路全電流所在的象限判別故障支路，全電流在第一象限的支路判定為非故障支路，否則，判定為故障支路。

對(duì)煤礦小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障進(jìn)行故障選線的仿真分析，來驗(yàn)證零序全電流功率方向原理的可靠性和靈敏性。

設(shè)單相接地故障發(fā)生在線路L2末端，使用PSCAD圖形顯示窗口觀測(cè)各條支路的零序全電流與系統(tǒng)零序電壓的相位關(guān)系。

消弧線圈全補(bǔ)償時(shí)，設(shè)在0.2S時(shí)刻發(fā)生故障，類型為金屬性接地，各條線路首端零序全電流相對(duì)于系統(tǒng)零序電壓的相位。

消弧線圈過補(bǔ)償時(shí)，設(shè)在0.2S時(shí)刻發(fā)生故障，故障類型為金屬性接地，線路L2首端零序全電流相對(duì)于系統(tǒng)零序電壓的相位。

對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中經(jīng)過渡電阻接地、電弧接地故障類型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明零序全電流功率方向原理能夠準(zhǔn)確選出故障線路也不用區(qū)分中性點(diǎn)的接地方式，具有先進(jìn)性。

煤礦智能變電站在邏輯功能上宜由過程層、間隔層和站控層三層組成，并用過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)兩層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接和通信。煤礦變電站包括地面變電站、井下中央變電站、采區(qū)變電站等多個(gè)變電站，總的開關(guān)間隔數(shù)量大（100-200），若將整個(gè)煤礦多個(gè)變電站建成一個(gè)智能變電站，則網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量過大，且網(wǎng)絡(luò)的可靠性和信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得不到保證，因此宜按照區(qū)域集控式智能變電站的建設(shè)模式。

集控中心交換機(jī)和各變電站交換機(jī)之間的組網(wǎng)宜采用雙重化配置的星型光纖以太網(wǎng)，保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，本文實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)對(duì)快速性沒有嚴(yán)格要求，也可以采用環(huán)網(wǎng)方式或其他組網(wǎng)方式，但要保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

煤礦智能變電站，選擇性接地保護(hù)是通過各智能站間隔層保護(hù)測(cè)控裝置和集控中心的故障處理主機(jī)配合實(shí)現(xiàn)的。各智能變電站能夠不依賴于集控中心獨(dú)立完成采集、測(cè)量、控制和保護(hù)功能，在各變電站間隔層保護(hù)測(cè)控裝置上配置零序全電流功率方向多支路綜合判據(jù)選線軟件，來實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)的橫向選擇性;在集控中心保護(hù)主機(jī)上配置優(yōu)化矩陣算法單相接地故障定位軟件，實(shí)現(xiàn)全站范圍內(nèi)故障區(qū)段的判斷，保護(hù)主機(jī)下發(fā)閉鎖和允許信號(hào)，將故障區(qū)段隔離，恢復(fù)非故障區(qū)域的正常供電，實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)的縱向選擇性。

煤礦智能變電站實(shí)現(xiàn)選擇性接地保護(hù)的過程為：系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障后，保護(hù)合并單元采集到的故障信息上傳到間隔層保護(hù)測(cè)控裝置。各站間隔層保護(hù)測(cè)控裝置利用本文提出的零序全電流功率方向多支路綜合判據(jù)選線軟件實(shí)現(xiàn)同一母線上接地保護(hù)的選擇性（橫向選擇性）。保護(hù)測(cè)控裝置同時(shí)將該站各保護(hù)合并單元的零序全電流相位上傳至地面集控中心保護(hù)主機(jī)，集控中心保護(hù)主機(jī)根據(jù)各間隔層保護(hù)測(cè)控裝置上傳的保護(hù)合并單元故障信息，構(gòu)造故障信息矩陣，與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行矩陣運(yùn)算，得到故障判斷矩陣，從而判斷出故障所在的區(qū)段，保護(hù)主機(jī)向故障所在區(qū)段的變電站保護(hù)測(cè)控裝置下發(fā)保護(hù)動(dòng)作允許信號(hào)，向其他變電站保護(hù)測(cè)控裝置下發(fā)保護(hù)動(dòng)作閉鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全站范圍內(nèi)多級(jí)線路單相接地保護(hù)的選擇性（縱向選擇性）。

結(jié)論

本文對(duì)煤礦智能變電站全站信息共享實(shí)現(xiàn)煤礦高壓電網(wǎng)選擇性接地保護(hù)的方案進(jìn)行了研究，提出了零序全電流功率方向多支路綜合判據(jù)選線技術(shù)和電網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)優(yōu)化矩陣算法故障區(qū)段定位技術(shù)，算例和仿真證明了其準(zhǔn)確性和有效性。本文給出了一種煤礦區(qū)域集控式智能變電站的建設(shè)模式，并設(shè)計(jì)了此智能變電站實(shí)現(xiàn)選擇性接地保護(hù)的方案，對(duì)于解決煤礦接地保護(hù)無(wú)選擇問題做出了有益貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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