矿井变电站电网系统接地选线装置设计及测试

王春瑜

（山西明卓勘测设计有限公司， 山西 太原 030012）

引言

供电系统为煤矿生产的动力源，供电系统的稳定性和可靠性直接影响综采工作面的正常运行，并可减少由于供电不稳定而对设备造成的冲击和损坏。供电系统的接地方式尤为重要，部分煤矿的供电系统采用中性点非有效接地的方式，主要包括有中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。在实际生产中上述接地系统容易发生短路故障从而导致综采工作面大面积的停电，在制约煤矿生产的同时，对煤矿设备的安全性也带来极大的隐患。导致上述隐患的主要因素之一为接地线选择不合理[1]。因此，急需设计一款接地选线装置保证供电系统接地线，充分保护电网的正常运行。

1 需求分析

随着煤矿综采工作面生产能力的提升，对应综采设备的综合耗能增加，供电系统的供电规模和用电负荷也明显增加。实践表明：煤矿供电系统由于接地故障所导致的问题占据所有问题的80%以上，而其余问题绝大部分也是由于接地故障而引起的，包括短路和电缆着火等。目前，煤矿供电系统所采用的选线装置对应准确率最高仅为50%；同时，传统选线装置无法对线路中的故障类型和故障点进行精确判断，只能够通过拉线的方式逐一排查。总的来讲，传统选线装置不仅耗时耗力，而且在实际生产中的应用效果也较差[2]。

煤矿供电系统传统接地选线系统的问题可总结如下：

1）传统接地选线装置主要基于“功率方向型”和“电流方向型”的原理实现其功能；上述接地选线装置中一旦上一级变电所出现接地类故障，极容易导致下一级出现选线错误甚至出现故障报错的情况。

2）针对煤矿供电系统中的环网供电方式，当综采工作面的馈线支路发生相关的接地故障时，采用传统的接地选线系统无法确定出发生故障的位置及其类型。

3）经实践表明，煤矿供电系统的接地故障绝大多数均是由于线缆老化或者劣化所导致的。因此，需对煤矿供电系统线缆的绝缘情况进行实时监测，避免接地故障的发生。

2 接地选线装置的总体设计

接地选线装置的核心在于准确掌握煤矿供电系统不同接地故障对应的零序电压和零序电流的波形；根据实际监测中零序电流和电压的波动与理想波形对比，判断变电站电网中是否出现接地故障，并通过进一步分析确定接地故障，准确选择接地线路。因此，变电站电网接地选线装置包括有上位机和下位机两大部分。

上位机主要为嵌入式系统，主要实现其与变电站RTU 的通信，并对相关的零序电压、电流等波形进行记录存储；

下位机为DSP 系统，主要对供电系统线缆的实时数据和相关故障信息进行采集，并对应的完成故障线路的实时、精准选线。

基于上述需求分析和接地选线系统的功能要求，设计如下页图1 所示的矿用变电站电网系统接地选线装置的结构：

如图1 所示的电网接地系统故障选线装置具备对电网中单相接地故障的识别和诊断，可对电缆的绝缘状态进行实时检测和显示，完成单相接地故障的选线功能，并对故障波形进行记录。

图1 矿用变电站电网接地系统选线装置结构示意图

此外，为了保证接地选线装置精确对故障波形进行检测，鉴于分布式数据采集系统具有较强的抗干扰特性和实时响应性能，本方案中接地系统选线装置采用分布式数据采集系统。同时，工作面环境相对恶劣容易导致数据传输时受到干扰，为了减少数据通信和传输过程中被干扰，采用CAN 总线进行通信。

3 接地选线装置的设计

3.1 接地选线装置的硬件设计

接地选线装置的硬件主要包括有中央单元、采集模块、电源模块、人机接口单元、通信单元以及相关的零序电流互感器、故障录波分析装置等。

针对中央单元的选型，考虑到功能、开发环境以及通讯等功能，本装置采用型号为80C198 单片机为其核心处理；

对于采集模块而言，其选型首选需考虑与80C198 单片机匹配性，本装置将采用以AD7575A 芯片为核心的采集模块；

针对电源模块而言，为保证其均能够适应交直流电源的应用环境，本装置采用型号为SPA5-220S12W的电源模块为本装置供电；

零序电流互感器采用工程中常用的WF-LJ 零序电流互感器，该型电流互感器在环境温度、使用海拔以及相对湿度等方面均能够满足煤矿的生产。

从接地选线装置的功能实现和成本两个方面综合考虑，选用型号为ZH-3D 型数字故障录波分析装置对信号进行存储和简单的处理。

3.2 接地选线装置的软件流程设计

接地选线装置主要对接地故障进行判断，并对相关电缆的绝缘状况进行监测。针对接地故障判断对应诊断和处理流程如图2 所示。

图2 接地故障诊断与处理流程

当选线装置采集到线路中中性点电压升高后，具体对出现故障的线路进行确定，并调用相关线路诊断算法综合电流值具体确定出现故障的线路，并对故障信息进行报警显示于上位机；与此同时，上位机对故障类型和故障点进行记录。

4 接地选线装置功能测试

采用综诊配置软件对矿井变电站电网系统接地选线装置的功能进行测试，经测试得出如下结论：

1）接地选线装置能够完成配置更新操作；上位机能够完成相关执行系统的操作更新。

2）接地系统选线装置对线路中的故障进行判断，判断结果如表1 所示。

表1 接地选线装置故障判断准确率结果

如表1 所示，基于所设计的接地选线装置可对线路中发生频率较高的故障进行100%的准确诊断和判断。