（1、泰安开发区鲁兴测控设备研究所，山东 泰安 271000；2、平煤集团机电处，河南 平顶山 467000；3、淄博光正集团，山东 淄博
255000；4、开滦集团钱家营矿，河北 唐山 063301）
摘要：阐明消弧线圈（谐振）接地补偿系统通常采用过补偿运行的原因，指出我国煤矿高低压补偿系统目前较普遍存在的几个问题，进而提出解决问题的一种新途径——零序基波“时序鉴别选线法”，简介了基于此方法的单相接地选线装置构成原理和实用效果。
关键词：中性点非直接地系统；消弧线圈；补偿系统；单相接地故障选线
一、何谓接地补偿系统
我国煤矿6～10KV电网均为中性点非直接接地系统，主要包括中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。其中，中性点经消弧线圈接地系统，常称为谐振接地系统；因为消弧线圈是接地故障（容性电流）的补偿装置，故又称为接地补偿系统。与之相类似，煤矿井下380～1140V电网也是中性点不接地系统，但因JY82、JL82、JJKB30等检漏继电器中都设有补偿低压电网容性漏电电流的零序电抗器，故也属于补偿系统。
补偿系统有三种不同的运行方式，即（1）欠补偿（IL＜IC），（2）过补偿（IL﹥IC），（3）全补偿（也称等补偿，IL=IC）。
对于6～10KV高压补偿系统，全补偿运行方式是必须避免的，因为系统处于全补偿时，无论三相电网出现不对称电压的大小如何，都将会因为发生串联谐振而使消弧线圈感受很高的电压。在高压补偿系统中，欠补偿运行方式也存在着不少的缺陷，这不仅仅是因为当系统出现正常拉路或事故跳闸时，有可能使系统由欠补偿演变为全补偿。因此，我国6～10KV补偿系统一般都采用过补偿运行方式，尤其是石油、化工和电业系统。
二、中性点经消弧线圈接地系统为何普遍采用过补偿运行方式
对于“中性点经消弧线圈接地运行方式”这一问题，许多文献都有论述，尤其国家电力调度通讯中心编写的《电力系统继电保护实用技术问答》（第二版）P11～12作了更为明确肯定的回答。即中性点经消弧线圈接地系统实际上一般都采用过补偿的运行方式，其主要原因有以下五点：
（1）在欠补偿电网中，当电网中因故障或其它原因而切除部分线路后，就有可能形成全补偿的运行方式而造成串联谐振，引起很高的中性点位移电压与过电压，从而危及系统绝缘。只要采用欠补偿的运行方式，这一缺点就无法避免。
（2）在正常运行时，欠补偿电网如果三相不对称度较大，则消弧线圈（它的ωL﹥1/3ωC0）和线路电容3C0之间，就有可能发生铁磁谐振，从而引起数值较大的铁磁谐振过电压。而如采用过补偿的运行方式，就不会出现这种铁磁谐振现象。
（3）电力系统往往是不断扩展的，电网的对地电容亦将随之增大。如果采用过补偿，原装的消弧线圈仍可以继续使用一段时期，至多是由过补偿转变为欠补偿运行；但如果原来就采用欠补偿的运行方式，则系统一有发展就必须立即增加补偿容量。
（4）过补偿电网中流过接地点的是电感电流，使熄弧后故障相电压恢复速度减慢，因而使接地电弧不易重燃。
（5）电力系统有时会出现瞬间性频率下降，如果采用欠补偿，这将使之趋向全补偿，从而引起中性点位移电压的增大；而若采用过补偿只能使过补偿度暂时增大，对正常运行没有影响。
著名学者要焕年编著的《电力系统谐振接地》一书P52又指出“当消弧线圈在谐振点附近运行时，从熄灭接地电弧方面考虑，过补偿与欠补偿几乎没有差别，但是从断线过电压方面考虑，两者却差别很大，即使采用自动消弧线圈，两者也不尽相同。所以，电网在正常运行的情况下，消弧线圈应适当过补偿运行。”
总之，即使是自动跟踪调谐的消弧线圈，最好的运行方案是在过补偿区域跟踪调谐，正常运行时，使消弧线圈运行在远离谐振点的最大过补偿状态；而当发生单相接地故障时，迅速向全补偿方向调节，使脱谐度接近于零，使过补偿度不大于5%，使故障点的残流减为5A左右，促使接地电流自动熄灭；待故障消失，电网恢复正常运行后，再使消弧线圈恢复最大过补偿状态运行。
三、煤矿高、低压补偿系统目前存在的几个问题
1、煤矿6～10KV系统目前存在的问题是：
（一）单相接地容性电流超出《煤矿安全规程》的规定值20A的不少矿井，至今没有采用消弧线圈补偿措施以限制接地漏电电流。
（二）已经使用了消弧线圈补偿的煤矿，绝大多数并不是正确采用过补偿运行方式，而是采用欠补偿运行，包括自动跟踪欠补偿方式。
（三）煤矿的继续工程教育和安全培训的内容存在缺陷，致使有些机电技术人员乃至有些负责供电的技术干部，对消弧线圈过补偿的优点和欠补偿的缺陷不够了解，有的甚至误认为欠补偿比过补偿更可靠与安全，从而在选购新的消弧线圈和订购小电流接地选线装置时，依然按欠补偿方案操办。有个别机电技术干部，还把静电电容器的“补偿”作用与消弧线圈的“补偿”作用相混淆。
2、煤矿380～660V低压补偿系统存在的主要问题，是低压选择性漏电保护与零序电抗器可能出现过补偿运行方式之间存在的矛盾没有得到解决。现有低压选漏保护装置一般都采用零序功率方向原理或相敏比较原理，在系统存在JY82的零序电抗器的情况下，即使通常是欠补偿运行，也使本来就很小的漏电电流变得更加微小，加上要求漏电保护动作速度非常快（30ms之内），这就使得现有选漏装置难以通过微弱的零序电流信号鉴别出正常支路与故障支路，因而难免出现误动或选择不准确等现象。尤其是当低压电网有若干支路因正常停电或故障跳闸而使零序电抗器变成过补偿的情况下，此时再发生单相接地漏电，则现有基于零序功率方向或相敏保护原理的低压选漏装置便失去选择性。因此，现有这类选漏装置在实际应用中，要么存在保护的“死区”（当过补偿时），要么不得不以牺牲JY82中的零序电抗器补偿功能为代价。应当指出，从安全的意义上说，当JY82用作低压选漏保护的总后备保护时，其内的零序电抗器补偿作用是绝对不应该废除的。
四、解决问题的一种新途径
6～10KV消弧线圈接地补偿系统，由于通常都采用过补偿运行，使得所有基于零序功率方向原理或比幅、比相原理的小电流接地选线装置或高压漏电保护装置全部失去功用。但近十多年来，国内外专家、学者研制出好几种基于不同思路和工作原理的新型接地选线装置，可以用来与常为过补偿运行方式的消弧线圈配套使用。这些可在谐振接地系统过补偿状态下实现单相接地故障的选线方法主要有：信号注入法、五次谐波分量法、首半波法、零序导纳法、有功分量法、负序分量法、能量法、模式识别法，小波分析法等。 [page]
低压中性点不接地而带有零序电抗器补偿的电网中，目前还没有发现有同高压谐振接地系统中相类似的选线原理及其构成的选漏装置，也就是说，低压电网在零序电抗器过补偿情况下，目前还没有别的能解决问题的选漏方法及装置。
值得引起注意的是：纵观国内外的高压接地选线和低压选漏保护各种方法，至今还没有发现别的可以利用零序电流基波实现过补偿电网接地漏电选择性保护的先例；并且近几年来不少业内人士在他们的文章中常有类似“经消弧线圈接地的电网，基波不再满足选线判据”之类的
“结论” 。（见《继电器》2004（18）论文“非直接接地系统单相接地故障选线方法综述”的结论2，P77）
鲁兴测控设备研究所经多年的研究与实验，打破“常规”，首次直接采用零序电流和零序电压的基波信号，在中性点经消弧线圈（或零序电抗器）接地系统处于过补偿状态下，实现了单相接地漏电故障的准确选线。这是对消弧线圈（或零序电抗器）过补偿电网实现单相接地漏电准确选线的理论与方法的一个突破与创新。用以实现这个突破与创新的主要途径就是基于零序基波的“时序鉴别选线法”（发明专利已公报）。
五、时序鉴别选线法及其特点与优点
所谓“时序鉴别选线法”，就是直接利用谐振接地系统单相接地故障的零序电流基波，经滤波、鉴幅、整形、光隔后形成的脉宽可变的方波I0，和零序电压基波经滤波、移相、整形、光隔后形成的脉宽固定的180度方波U0J，直接进行时序鉴别。当系统发生单相接地故障后，若某线路的零序电流基波和零序电压基波的方波信号同时满足以下两个条件，则该线路就是单相接地故障线路，如图1中a与b所示。这两个条件是：
（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；
（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。
不能同时满足上述两个条件的线路，就是非故障线路，如图1中的c、d、e所示。
这就是应用零序电流和零序电压基波，通过“时序鉴别法”进行单相接地漏电故障选线的判据。
显然，“时序鉴别法”和通常的相对相位法（比相法）之间，或者说“时序鉴别原理”与零序功率方向原理之间，有根本的区别。例如图1中d所示的I0与U0J的方波关系，完全符合接地故障线路零序功率方向法的判别原理，但不符合接地故障线路的时序鉴别法则；也就是说，图1中d所示的I0和U0J的波形关系，运用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。
第二、“时序鉴别法”也与有些文章提到的零序电流和零序电压的“相位差判别法”不同，因为两个波形的相位差可以仅凭零序电流和零序电压两个方波的前沿（或者其后沿）来获得，显然这种相位差选线法不仅抗干扰能力比较差，而且很可能因波形畸变或量值的变化而误判。
第三、时序鉴别法还有独特的自动滤除各种干扰脉冲的抗干扰能力，如图1中d所示。
第四、由图1中a、b可以看出，时序鉴别法至少有1700动作范围，可以在无补偿、欠补偿（b）及过补偿（a）等整个区间自适应。
第五、零序基波比有功分量、负序分量、五次谐波分量等信号大、抗干扰能力强。
第六、基于零序基波的时序鉴别法，比信号注入法、模式识别法、小波分析法等易于实现，甚至可以不用单片机，只用isp技术或CPLD器件即可。
六、基于时序鉴别法的单相接地选线装置基本构成原理
如图2所示，从NUGS系统中U、V、W三相母线上的电压互感器PT开口三角侧，取出零序电压，经小变压器ST降压后，其U0信号送入单相接地选线模块；从同一段母线引出的各馈出线上的零序电流互感器CT二次侧，取出零序电流，经负载电阻R进行I/û变换后，其I0信号依次送入单相接地选线模块。
如图2所示，该单相接地选线模块，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（可以由一片CPLD构成，也可由单片机构成），接地选线信号输出电路，以及单片机接口电路（STD总线）组成。在模块内，零序电压基波u0电路再分为两个支路：一路经滤波、移相、整形和光电隔离，变成基准零序电压U0J，作为时序鉴别的参考信号；另一路经滤波、移相、鉴幅、整形和光电隔离，变成UOf，作为零序电压的比幅信号。各路零序电流基波I0的电路，经滤波、移相、鉴幅、整形、光电隔离后，变成相位和脉宽可变的信号I0。UOJ和1至4路I0方波信号分别送入时序鉴别器。时序鉴别器依据设定的时序鉴别法则（如图1所示）分别判断出各线路是接地故障线路还是非故障线路。由图2中可以看出，经时序鉴别器输出的接地故障线路选线信号，可直接经驱动器进行音响报警、灯光指示与事故跳闸；也可直接输出选线路号进行数字显示、语音报警，还可以经STD总线接口电路，由外加的单片单板机进行自动记录、汉字显示，事故追忆，或通过单片机串行通信接口，将故障信息传给上位机。
结 语
我们应用“时序鉴别选线法”研制的“基于时序鉴别方法的新型单相接地选线装置”（见文献3）系列产品，从2000年8月起，就先后在山东、河南、江西、重庆、安徽、山西、陕西等省的部分厂矿6KV中性点不接地电网投入实际应用；2002年10月后进入齐鲁石化公司6KV谐振接地（过补偿）系统实际应用（文献4）；2003年10月后基于时序鉴别法的低压选择性漏电保护器分别在山东十几个煤矿井下和河北开滦钱营矿选煤厂投入实际应用；2003年11月，“基于时序鉴别法的新型小电流接地选线装置”在平顶山市通过河南省省级鉴定；2004年9～11月，该成果先后获河南省煤炭工业局颁发的科技进步一等奖、河南省人民政府颁发的科技进步三等奖、中国煤炭工业协会颁发的科学技术二等奖。
参考文献：
1、要焕年、曹梅月，电力系统谐振接地，中国电力出版社，2001。
2、电力系统继电保护实用技术问答（第二版），中国电力出版社，2003。
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4、牛洪波、朱有志、傅桂兴，基于时序鉴别原理的选线装置在谐振接地系统中的试验与运行，2003年中国石化股份公司电气技术研讨会齐鲁石化公司交流材料，2003。
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7、潘贞存、桑在中，单相接地故障信号注入选线法，电力系统自动化，1996，（2）。
8、葛耀中、窦乘国，非直接接地系统中检出单相接地线路的新方法，继电器，2001，（9），P1。
9、李冬辉、史临潼，非直接接地系统单相接地故障选线方法综述，继电器，2004，（18），P74。
作者简介：
傅桂兴（1940—），男，山东科技大学教授，鲁兴测控设备研究所创办人，山东省自动化学会常务理事，长期从事厂矿电网和机电设备的故障监测、继电保护，及变流技术、监控技术等方面的教学与科研工作，主要研究成果是小电流接地选线装置，矿井中低压电网选择性漏电保护装置及电机综合保护装置、电气传动实验装置。
