基于零序基波时序鉴别原理的高压选择性漏电保护在煤矿供电系统中的应用

马亚东

摘要：GJWJ-IV型小电流接地系统单相接地选线装置，该装置采用零序基波时序鉴别选线原理，突破传统思维，直接应用零序基波信号实现消弧线圈接地系统过补偿运行方式下的单相接地准确选线，符合电网实际，能够提高6KV电网运行的稳定性。

一、研究报告

2.1零序基波时序鉴别法基本原理

GJWJ-IV型选线装置用以实现单相接地选线的零序基波“时序鉴别器”的工作原理——“时序鉴别法”。U0J是由零序交流电压u0变换来的180度规则方波，作为时序鉴别的基准信号。I0是由零序交流电流i0变换来的脉宽和相位不确定的方波，I0的脉宽一般为180度，但若零序电流幅值过小，则I0的脉宽将远小于180度甚至为零。I0相对于U0J的相位随电网是无补偿、欠补偿还是过补偿而从左向右变动。如图1所示，當单相接地故障发生后，若某条线路的零序电流对应的I0方波与U0J方波的时序关系同时满足以下两个条件的，则该线路为单相接地故障线路，如图1中a、b所示（a对应于过补偿状态，b对应于欠补偿状态）。

（1）零序电流I0上升沿滞后于零序电压U0J上升沿而超前零序电压U0J下降沿，即零序电流I0上升沿界于零序电压U0J的上升沿与下降沿之间（上升沿、下降沿也叫该方波的“前沿”和“后沿”。）。

（2）零序电流I0下降沿滞后于零序电压U0J下降沿须大于0度而小于180度。

不能同时满足这两个规定条件的则为非故障线路，如图1中的c、d、e所示。这就是应用“时序鉴别法”进行单相接地故障选线的主要判据。这里必须指出，虽然同是应用零序基波信号，但“时序鉴别法”和通常的相对相位法（比相法），或者说“时序鉴别原理”与零序功率方向原理，是根本不同的。例如图1中d所示的I0与U0J的方波关系，按照零序功率方向原理应判定为故障线路;而运用时序鉴别原理则应判为非故障线路。

2.2 GJWJ-IV型选线装置性能特点

（1）应用创新的时序鉴别原理和幅值鉴别相结合的故障检测判断原理，可用于小电流接地系统的各种接地方式和任何补偿状态下实现故障选线直接应用零序基波信号实现消弧线圈接地系统过补偿运行方式下的单相接地准确选线;

（2）采用EDA技术和ispLSI器件开发专用集成电路作为时序鉴别器，取代微机选线功能。每四路馈出线用一个时序鉴别器，使选线装置如同多CPU并行处理系统，具有高可靠性和速动性;

（3）当零序参数U0≥8V（PT开口侧电压），I0≥10mA（零序电流互感器二次侧），本装置能在100ms内准确选出故障线路;

（4）故障线路只是有灯光指示、数字显示、音响报警，均为硬逻辑系统，因此本装置即不靠微机选线，也不借助微机实现灯光显示和音响报警;

（5）各路LED指示灯有故障记忆功能，能区分瞬间性故障（LED指示灯闪光）和持久性接地故障（LED指示灯平光）;

（6）具有本装置各项技术性能的自检演示功能

（7）通过RS485/RS232通讯接口实现本装置与上位机之间的通讯。

2.3 GJWJ-IV型选线装置工作原理

GJWJ-IV型选线装置的关键部件是以“时序鉴别器”为核心的单相接地选线模块。如图2所示，从中压电网三相母线上的电压互感器PT开口三角侧取出零序电压u0，经小变压器ST降压后，u0信号送入选线模块内;同时，从同一段母线上各馈出线的零序电流互感器CT二次侧，取出零序电流i0，经各自的负载电阻R进行I/û变换后，各i0信号依次送入选线模块的8个i0输入端（每个模块至多接8路i0）。

GJWJ-IV型选线装置选线模块的构成原理如实线框内的方块图所示，它主要由零序电压信号处理电路，零序电流信号处理电路，时序鉴别器，接地选线信号输出电路，以及单片机接口电路等组成。其中时序鉴别器是该模块的核心，每个时序鉴别器分管4路馈出线，故每个选线模块包含两个时序鉴别器。时序鉴别器可以是专用单片机，也可以采用现代可编程逻辑器件构成的专用集成电路ASIC。在选线模块内，零序电压输入信号U0再分为两个支路：一路经低通滤波、阻容移相、鉴幅、整形和光电隔离后变成UOf，作为零序电压的幅值鉴别信号;另一路经低通滤波、阻容移相后再分为两个支路，分别对U0正半波和U0负半波进行整形和光电隔离，变成脉宽为180度的两个相位相反的基准零序电压U0J+和U0J-，作为时序鉴别的基准参考信号。各路零序电流，分别经低通滤波、鉴幅、整形、光电隔离后变成相位和脉宽可变的信号I0i（i=1，2，3┄）。UOJ和4路I0信号分别送入时序鉴别器。时序鉴别器依据内部设定的时序鉴别法则，分别判断出各线路是接地故障线路还是非故障线路。若为非故障线路，时序鉴别器无信号输出;若为接地故障线路，则经时序鉴别器判定后，就有对应的故障选线信号输出，实现故障报警、灯光和数字显示，以及语音报警，还可作用于跳闸等。

二、GJWJ-IV型接地选线装置应用后的经济和社会效益

虽然消弧线圈接地系统在实际运行中具有较好的系统性能，但由于其通常运行在过补偿状态下，使零序基波功率方向型高压接地选线装置的准确性下降。通过引入GJWJ-IV型接地选线装置，经过近半年的运行实践，期间发生3次接地故障，该装置均及时正确地判断出故障线路，从而使维护人员能快速确定故障线路，在最短时间内排除故障，大大提高了电网运行的稳定性。

三、结束语

小电流接地系统中最常见的故障是单相接地，约占所有电气故障总和的60%。大型企业的中压电缆网络运行经验表明，接地补偿装置是确保电网安全、可靠运行的必要措施，而单相接地选线装置是谐振接地系统极为重要的组成部分，接地选线装置的动作准确性将直接影响到企业电力系统的安全运行。GJWJ-IV型接地选线装置较好的解决了这个问题，提高了企业电网的稳定性。