小电流选线装置的改造分析与应用实践

赵治祥

（大同煤矿集团有限责任公司同忻煤矿，山西 大同 037003）

1 概述

同忻煤矿地面10kV开闭所担负着地面运输系统、供排水系统、照明系统等多方面供电负荷，负荷类型比较复杂，分布范围较广，导致变电所经常出现接地故障，如果变电所内高压设备出现故障，目前常用的方法是人工依次跳合出线开关来查找故障点，频繁的处理故障既浪费了时间和人力成本，还对供电安全造成了不良影响。因此，通过新型技术解决这一问题，改善电能质量，提高供电可靠性是十分必要的。新的选线装置要能准确进行故障检测，并发出信号。

2 系统选线技术分析

2.1 选线原理

小电流自动选线技术早在二十世纪五十年代就开始应用了。接地系统正常运行时，三相电压对称平衡，如果一相接地，绕组电压会增大倍，故障线路零序电流增大（可达其他线路零序电流和），相位滞后零序电压约90度。通过分析故障线路的接地电流发现其与电容分量成正比，5次谐波也和基波特性相同。在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈产生的补偿作用，导致故障线路与非故障线路零序电流数值不能主群内确定，因此选线装置准确率大大下降。

2.2 选线方案分析

传统的选线方法主要以稳态分量法为主。稳态分量法主要是对零序电流进行幅值比较、相对相位比较和5次谐波。但是随着半径增大、线路增多、电容增加，这种方法已经不能适用于中性点经消弧线圈的接地方式。后来，在中性点经消弧线圈的接地系统中常用5次谐波作为判断依据。但是，5次谐波在系统中含量比较小（2%～3%左右），稳定性也比较差，很容易受到干扰，影响选线准确性。而且由于受到硬件条件的影响（主要是单一CPU），采样点数较少，使得采样精度受到较大影响。

近年来，随着科学技术的发展，选线技术也取得了很大的进步，陆续出现了很多方案。其中，一些方案虽然在原理上是正确的，但是在实际使用中效果不是很理想。经过分析发现，这些不是很理想的方案主要问题仍然是以稳态分析为主，忽略了系统故障瞬间的暂态信号。因此，要想提高选线精度，应该捕捉暂态信号，再结合稳态信号进行分析。

2.3 对新方案的技术要求

（1）同时性。接地故障瞬间出现的暂态分量频率很高（300～3000Hz），如果采用单CPU进行数据采样，只能通过巡检取样，存在相位误差，降低了采样精度。因此，新技术方案必须能够保证采样的同时性。

（2）准确性。传统选线装置单一CPU采用集中式方案，所有零序CT的二次负载都引入装置内，长线引入会导致信号干扰。因此，要保证精度，多CPU系统必不可少。

3 改造方案分析

3.1 改造方案原理

根据上面的分析可知，改造方案主要应集中在两个方面。

（1）原理。要以暂态分析为主，结合稳态分析，得到更准确的判断依据。系统接地时，由于状态改变，会形成幅值很大的冲击电流，而且不会被消弧线圈补偿掉。

（2）硬件。为了确保数据采集的准确性和同时性，要对单一CPU进行改造，在每条馈出线上安装采样模块进行采样。这样可以在一周波内完成所有线路的采样工作，提高采样精度，降低误判率。

3.2 改造方案实施

同忻煤矿经过反复的思考和实验分析，对改造方案进行了实施。改造后的装置示意图如图1所示。

图1 同忻煤矿10kV变电所接地选线系统示意图

新的选线系统的基础部分是高压出线柜下安装的采集模块（图中CJMK），接地选线功能是通过这些采集模块和一个中央单元（图中ZYDY）组成。采集模块的作用是对零序电流互感器的零序电流进行采样，并输出跳闸信号。采集模块之间通过双芯屏蔽通信电缆进行连接，采集模块与中央单元之间通过CAN总线连接。

在整个系统装置中，核心部件是中央单元。如果系统发生接地故障的话，PT开口三角电压超出中央单元设定的预设值，中央单元就会发出启动命令，各采集模块就采集零序电流值。经过中央单元分析计算后判断接地线路，并显示输出线路编码、故障时间等信息。

3.3 改造装置特点分析

（1）该技术基于多CPU构架，能够有效增加采样点数，提高采样精度。多CPU同一时刻对线路进行采样，消除了接地过程中系统信号干扰。改善了原来通过5次谐波及暂态高频分量采样技术的不足。

（2）系统采用的是分散式结构。将采集模块安装在高压开关柜下，能够很好地降低干扰和解决CT不平衡问题。通过对数据进行实时处理，提高了速度和精度。系统采样频率达16kHz，AD分辨率16位。

（3）系统主要原理是利用暂态信号，信号强度高，分辨率强，可以被很好地采集。利用暂态信号进行判断，不受消弧线圈的影响，提高了判线准确率。另外，目前微电子技术发展迅速，能够更有效地捕捉暂态过程，记录时间很短的接地故障，对于瞬时间歇性故障的判断有着非常高的准确度。

（4）系统还有一些比较好的优点，如现场自适应技术可以确保测量的全面性；触摸液晶屏幕可以简化操控，提供多种信息；具有RS232或RS485通讯接口，为后期自动化配套提供基础等。

4 改造实施效果

同忻煤矿对选线设备的改造在同煤集团属于首例，通过实际使用发现，相比原有的选线技术，新装置能够有效提高判断精度，缩短处理故障的时间，可以进行推广。

通过对使用后的10kV变电所进行故障统计，可得对比数据如表1所示（半年数据）。从表1中可以看出，改造后确实明显提高了判断准确性。而且，根据现场来看，过去处理接地故障动辄需要两三个小时，而现在只需要半小时左右，有效提高了系统稳定性和可靠性。

表1 选线技术改造前后数据

5 总结

（1）针对同忻煤矿10kV变电所存在的接地故障查找不方便等问题，通过分析原有接地故障选线技术，从原理和硬件两个方面分析了新型选线技术的主要技术特点：即利用暂态分析，配合多CPU构架，这样既消除了信号影响，又进行了同时采样，精度更高，判断更准。

（2）通过系统改造，结合同忻煤矿半年监测数据发现，改造后无论是实接地还是瞬时接地故障的判断准确性都有了大幅的提高。另外，对接地故障的处理时间也有了大幅的降低，实践效果良好。

（3）该改造技术在同煤集团属于首例，经过验证可以进行进一步的推广，具有一定的参考性。