中铁电气化铁路运营管理有限公司 苏 万

1 引言

电力系统录波器作为一类常见的供电系统应用装置，可对供电系统内常见故障实施信息保存，包括记录工作电压电流方面的异常（如短路崩溃，频率崩溃等），并针对电路中的导通与输出全过程变化实施监控，包括检测系统软件工作频率和有功、无功功率。该系统能够针对自动继电保护装置与安全装置的特性和行为完成监控步骤，并对暂态稳定全环节之中的电气参数变化情况实施分析，检查供电系统测量程序流程和物理模型主要参数的准确性。多年来，故障记录仪已成为分析系统异常的重要依据[1]。

近年来，煤炭工业在生产和制造中的日常生活中变得越来越重要，矿山灾害和煤炭行业的安全隐患引起了大家的高度关注。煤炭行业用电安全越来越受到重视，煤炭行业常用的故障录波仪是煤炭行业电网科学研究的基础，也是审查继电保护装置的姿态和个人行为、数据分析系统以及设备的故障特征和原因的重要依据。高质量的常见故障录波设备对于保证电力工程系统的优化运行，以及提高电能质量分析具有至关重要的作用。由于其作用日益强大，DSP已广泛应用于许多行业，如通用数字图像处理、通信、图形/图像信号分析、操控、国防等诸多方面。近年来，在供电系统中的应用也慢慢展开，已经被添加到供电系统的各个领域。如维修、操作、自动化技术设备等。因此，在应用和故障记录仪中可以获得其特性。

2 煤矿供电的特点

2.1 双回路供电

由于煤炭行业用电安全防范措施，煤矿配电采用双回路供电或多控制回路供电。当一种方式出现问题时，另一种方式应该能够承担煤矿的所有负荷，这是煤炭行业的供给和分配，也是电气系统最重要的特性之一。

2.2 中性点接地方式

由于矿井配电自然环境的特殊要求，《煤炭安全规程》要求严禁将地面上的电动机或变压器的中性线立即接地到矿井。矿用配电变压器的中性线不得立即接地。因此，现阶段我国煤矿行业部分6kV电网采用中性线不接地装置方式，属于小电流接地保护。但这种方式下，电网短路故障电流较大，不利于安全，主要表现在两个层面：一方面，接地装置过大的孤立电流由于动能大，不易自熄，会烧毁电缆绝缘层，造成双色短路。另一方面，电气隔离接地装置过电压的概率增加，可能导致电缆的薄弱点或电气设备的绝缘层被击穿。因此，目前煤矿都经历了通过消弧线圈接地装置或消弧线圈并联（串）电阻接地装置进行中性线的操作方法。发生短路故障时，消弧线圈可以减少对地的电容电流。通过上文描述可以得到结论：我国煤矿配电系统中的中性点接地方式，通常采用消弧线圈或中性不接地装置实施小电流接地处理。

2.3 电容电流较大

从作业矿井外到作业矿井内的电力工程传输都是基于电缆线路，所以矿山的电缆较多。电网的接地电阻较低，但其值仍远大于接地电容和双色电容的容抗。因此，在进行接地装置常见故障分析时，可以忽略接地电阻。此时，电网的容性电流比较大，当电网接地装置发生常见故障时，容性电流较大。消弧线圈通过消弧线圈的补偿功能接地保护，使容性电流降低或发生合理的电流流动[2]。

3 故障录波器在煤矿供电系统中的作用

3.1 事故追忆及事故原因分析

全面准确的判据是故障记录仪质量的标志。正常运行状态与常见故障之间的数据信号区别是供电系统故障录波器功能发挥的基础，各行各业故障录波器均如此，煤炭行业也不例外。煤矿供配电系统一旦出现安全事故，电网故障出现的刹那，其运行电流（压）、频率、零序电流（压）和每一只开关运行状态均会被故障录波器逐一记录下来。历史故障形成过程中及形成后数秒内电网所有模拟量、各种开关量均可以基于本次记录的各类参数值而延续，就此奠定事故原因分析、事故防范和电网完善基础，将同种或类似事故重新出现的可能性避免。

3.2 故障点定位、接地选线、谐波分析

电网复杂程度高，这主要是因为其规模较大所造成的。故障形成瞬间，常见故障点必须能在最短时间内迅速定位，否则将会增加故障检测及恢复难度，之所以如此，主要是由于逐级检查电源电路任务繁重，过程极为繁杂，需要长时间进行检查判断，就此持续增加排除故障、恢复运行及电网维护难度。故障点定位功能能将故障大体部位在尽可能短的时间内确定，人力成本与时间成本节约效果显著，对于供电系统的保护具有非常关键的现实意义。同时，由于小电流接地保护中的短路故障等常见故障，系统软件可重新运行1～2h。若能及时发现接地装置的常见故障相故障检测，供电系统可继续运行。

3.3 继电保护动作的评价

继电保护设备在供电系统安全事故出现前提下有可能同时故障，也有可能拒动。分析其数据信号可以发现，工作人员并不能准确评价或判断继电保护设备、自动装置工作状态。从普通故障录波仪器方面来看，普通故障录波数据即能让工作人员对继电保护设备的准确性展开检查，或者作出正确的评价。尤其是在出现常见故障时，必须利用记录的数据信息进行适当的评估。

4 故障录波器的录波过程

供电系统常见故障的动态记录可分为三类：

一是快速常见故障记录用于记录由于短路故障问题或系统软件实际运行，引起的线路上产生的电流和工作电压的瞬态过程。二是常见故障动态全过程记录系统软件电流量、工作电压和大振荡引起的导出量，用于检测继电保护装置和自装设备的姿态和个人行为。目前，运行在系统软件中的各种故障记录仪大都属于这一类。三是长期动态记录用于记录流行趋势、主相电压和工作频率。故障录波器的记录方式一般选择分段记录的方式，可以记录长期的冲击和长期的振荡，满足供电系统长期动态的需要。参考DL/T553-94标准，记录方式一般按照图1执行。

图1 标准分段记录方式（系统大扰动开始的绝对时刻=0）

A时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出原始波形及有效值，记录时间不少于0.04s。B时段：系统大扰动初期的状态数据，可直接输出原始记录波形及有效值，可观察到5次谐波，同时也可输出每一周波的工频有效值及直流分量值，记录时间不少于0.1s。C时段：系统大扰动中期状态数据，输出连续的工频有效值，记录时间不少于1.1s。D时段：系统动态过程数据，每0.1s输出一个工频有效值，记录时间不少于20s。E时段：系统长时间的动态数据，每1s输出一个工频有效值，记录时间不少于10min。进入D，E时段后，恢复故障判别模块的执行，若有相继故障则又转入ABCDE段录波。

本设备常见故障记录全过程针对快速常见故障采样频率不足的情况制定，以图2中记录ABC时间段为基础。不仅可以记录常见故障从开始到电源跳闸重合闸的全过程，而且采样率变化频率很小，所以解决方法很简单。由于原故障录波器单片机设计运行简单、内存小，所以采用了一些重点。目前，制定的高密度B段（采样率25.6kH）可以达到要求的BCD段。

图2 装置采用的分段记录方式

5 故障分析和启动判据的设计

5.1 单相接地故障

在煤矿电网中，金属接地装置仅占5%，而电源常见故障则高达95%。其中单相供电和接地装置常见故障占所有电气设备接地装置常见故障的80%以上[3]。

短路故障是煤矿电网运行频率最高的常见故障，因此被认为是煤矿行业供配电系统中的关键常见故障，设计方案提供了良好的评价标准。短路故障常见故障主要分为稳定接地装置常见故障和电气隔离接地装置常见故障，两者的特点是不同的。如果在设计方案的判断中不考虑，很可能会导致漏选或错误的选择。在判断标准设计方案的情况下，充分考虑了两种常见的故障特征，采用设计方案为录波操作提供更有效的评价标准。

当发生稳定的普通故障时，中性线由消弧线圈接地装置的小电流量保护。稳定接地装置的常见故障判断标准较小，电流量的大小与方位角的大小和失谐程度相当，相关性大，其常见的失效评价标准不易设定和完善。对于通过消弧线圈和（串）电阻接地保护的中性线，零序电流有功功率是一个很好的判据。但目前中性线是通过消弧线圈接地的，关键是用消弧线圈并联（串联）电阻继承接地装置的方法，消弧线圈本身的有功功率比较大（短路故障的有功功率可达2～3A），所以选择零序电流有功功率权重为判据。其他基本原理，如更大的零序电流、零序输出功率方位角基本原理、前半波基本原理、谐波方位角基本原理等，均受到相应煤炭行业的一定限制或限制。

不管中性线的接地方案如何，只要有电气隔离接地设备，公共故障通路的零序电流、高频衰减系数就会处于相对较高状态，直流零序电流可能仅有其几分之一。从接地设备角度来看，高频电流参数极具决定性，判据可以选择高频衰减系数零序电流。基于异常故障路径的高频电流总和与常见故障路径高频电流相等特征，基于暂态过程的电流互积理论（评价时间与标准等）就此形成。已设置完近年来发生的频率分析。

在本文中不再使用，因为其技术完善度并不高，所以其实用性低[4]。

无论中性线采用不接地装置还是消弧线圈接地装置，当出现稳定接地装置或电隔离接地装置时，零序电压都会发生变化，幅值会大幅增加。

5.2 两相短路及两相短路接地故障

电源电路如果出现的是两相短路故障，那么正、负序分量将会在系统软件内同时出现，但只有0零序分量。两个常见故障相电压方向相反，但大小无差异，两相短路故障有可能就是这种情况造成的。两相短路故障一旦出现，判据会更加依赖于故障点位置，如果供电系统末端出现故障，那么系统不会出现达大的短路电流，漏判即有可能发生。两相短路故障时，判断标准同样会明显受到共同故障点的负面影响，供配电系统末端出现故障时，错误可能性会增加，这是因为系统软件缺少足够的短路容量。如果故障形成了供配电系统头部，则会相对较高的短路容量，所以此时的区分比较简单。但无论是尾端还是头部故障，负序电流都会出现。所以，两相短路故障的基本特征表现在相电压升高、负序电流形成，两个故障相、大流量偏差特征同样具有利用价值。此处判据选择的是相电压升高和协同效应（相电压差）[5]。

5.3 三相短路故障

三相短路故障属于煤矿常见故障，常见故障后三相电流仍对称，系统软件中只存储了正序电流，幅值比较大。当发生短路故障时，是因为在系统软件中总特性阻抗大大降低，所以短路容量很可能很大。强大的短路能力引起的热和电驱动力效应会造成明显的不良影响，因此必须立即去除。由于三相短路故障的特征非常明显，如果同时强烈放大三相电流，则问题的特征更适合获取和区分。

综上，故障记录仪是煤炭行业电网分析的基础，具有高质量特性的常见故障记录仪对于保证安全运行和提高电能质量分析具有至关重要的作用。本文将DSP技术应用到故障录波器的制定中，针对我国目前的不足来改善元器件的特性，阐述了电力系统故障录波器的应用。