礦井電網漏電保護新方法

趙建文，　李科，　隨曉娜，　李鶴，　何濤，　張森林，　朱靜

(1.西安科技大學 電氣工程與控制學院， 陜西 西安　710054； 2.國網宿州供電公司， 安徽 宿州　234000)

礦井電網漏電保護新方法

趙建文1，李科1，隨曉娜1，李鶴2，何濤1，張森林1，朱靜1

(1.西安科技大學 電氣工程與控制學院， 陜西 西安710054； 2.國網宿州供電公司， 安徽 宿州234000)

摘要：提出了一種基于最小二乘矩陣束算法的礦井電網漏電保護新方法。該方法在附加直流源系統基礎上，提取各支路零序電流信號，利用最小二乘矩陣束算法提取各支路零序電流信號的直流分量；根據提取出的各支路直流分量，計算各支路的對地絕緣電阻值；若某支路對地絕緣電阻值小于動作值，則判斷該支路發生了漏電故障。仿真結果表明，該方法準確、可靠，適應性強。

關鍵詞：礦井電網； 漏電保護； 附加直流源系統； 最小二乘矩陣束算法； 直流分量； 絕緣電阻值

0引言

中國煤礦井下電網普遍為中性點不接地系統。系統發生單相接地故障時，由于健全相的對地電壓升高，導致系統發生弧光過電壓，長期存在的漏電電流和電火花使系統絕緣受到威脅，容易升級為短路故障。為了及時采取防護措施，須對井下電網進行不間斷的絕緣狀態監測，使絕緣水平保持在穩定狀態，防止漏電電流間接引起的電弧將防爆型電氣設備的外殼燒穿，進而導致設備爆炸。漏電保護系統能夠檢查出漏電故障地點，并將其切除[1-2]。現有的煤礦漏電保護系統主要分為選擇性漏電保護系統和非選擇性漏電保護系統。選擇性漏電保護系統主要基于零序過電流保護、零序功率方向保護；非選擇性漏電保護系統主要基于零序電壓保護、旁路接地保護、三相半波整流漏電保護、附加直流檢測式保護等[3]。零序過電流保護存在檢測靈敏度低，受系統運行方式、線路長度、過渡電阻等因素影響較大等缺點；零序功率方向保護存在保護動作電阻值不固定、需要有足夠的零序電流值才能動作等缺點；零序電壓保護、三相半波整流漏電保護存在動作值不穩定、動作沒有選擇性等缺點；旁路接地保護存在保護無選擇性、動作值難以整定等缺點；附加直流檢測式保護存在保護無選擇性、保護動作時間過長等缺點。

本文提出一種新的漏電保護方法，即在附加直流源系統基礎上，提取各支路的暫態零序電流信號，利用最小二乘矩陣束算法提取各支路暫態零序電流信號的直流分量，進而得到每條支路的對地絕緣電阻值并將其作為漏電保護判據，實現選擇性漏電保護。

1最小二乘矩陣束算法

最小二乘矩陣束算法是一種以拉氏變換為基礎的參數識別估計方法。該算法采用復指數衰減線性組合來擬合等間隔采樣數據的數學模型，經適當擴充，可快速、準確地分析出故障后真實的信號頻率、衰減因子、幅值和相位[4-8]。

設間隔采樣數據的數學模型為

(1)

式中：f(x)為被測值函數；C1，C2，…，Cn為任意常數，n為采樣點數；λ為任意實數；t為時間。

矩陣束定義為

(2)

式中:f(t,L)為函數g(t)，h(t)的約束函數；L為束參數。

g(t)不能為h(t)的純量倍數。設觀測值為y(t)，給出y(t)后，選擇合適的g(t)，h(t)，L估計值，即可提取極點信息。

設信號可表示為M個具有任意幅值、相位、頻率和衰減因子的指數函數的線性組合，即

y(kΔt)=x(kΔt)+n(kΔt)=

(3)

式中：k=0,1,…,n-1；Δt為采樣時間間隔；x(kΔt)為真實信號；n(kΔt)為噪聲信號；Ai為第i(i=1,2,…,M)個信號的復幅值；Di為第i個信號的衰減因子；ωi為第i個信號的角頻率。

令信號極點zi=exp[(-Di+jωi)Δt]，則信號y(kΔt)的第k個采樣值為

(4)

令

(5)

(6)

利用Ψ1,Ψ2構成矩陣束Ψ2-LΨ1。由矩陣束原理可知，信號極點zi即為Ψ2-LΨ1的廣義特征值，因此求解zi即可得到[Ψ1Ψ2]的廣義特征值：

(7)

式中bi為zi的廣義特征值。

(8)

式中E為M×M階單位矩陣。

(9)

第i個信號的復幅值Ai滿足方程：

(10)

(11)

(12)

2漏電保護原理

2.1附加直流源系統漏電保護原理

附加直流源系統漏電保護原理[9]如圖1所示。在變壓器T的二次側采用三相電抗器SK制造人為中性點，連接零序電抗器LK。當系統發生單相漏電故障時，附加直流源Uz所提供的直流電流Iz由其正極經大地、絕緣電阻(RA，RB，RC)、SK、LK流回附加直流源負極，構成回路。可采用千歐表KΩ檢測電流，經計算得出電網總的對地絕緣電阻，進而判斷是否漏電。ZJ為直流電流繼電器，CA，CB，CC為三相對地電容，CN為隔直電容。

圖1　附加直流源系統漏電保護原理

采用附加直流源系統漏電保護原理能夠監測整個電網的絕緣水平，保護全面且動作無死區，保護可覆蓋整個低壓供電單元，符合《煤礦安全規程》規定的以絕緣電阻作為判據的要求[10-11]，供電系統跳閘不受故障類型(對稱或不對稱)和故障時間、地點的影響，且對地絕緣電阻的計算易于編程實現。但該方法不具備選擇性，無法選擇故障支路，且以故障后穩態特征量作為漏電保護判據，難以滿足漏電保護的速動性要求[12-13]。

2.2漏電保護新方法

本文在傳統附加直流源系統基礎上，提出一種漏電保護新方法，即在每條支路上增加1個零序互感器，以獲取電網發生單相漏電故障時各條支路的暫態零序電流信號，然后利用最小二乘矩陣束算法提取各條支路暫態零序電流信號中的直流分量，并據此計算各支路的對地絕緣電阻值，將對地絕緣電阻值作為判據[14]，判斷出故障支路。具體流程如圖2所示。

3仿真實驗

3.1仿真模型

目前井下低壓供電系統大多采用380，660，1 140 V，其中660 V應用最廣泛，因此本文針對660 V供電系統進行仿真實驗。660 V供電系統模型如圖3所示。零序互感器位于各條支路首段。支路L1中各相對地電容為0.4 μF，對地絕緣電阻為60 kΩ；支路L2中各相對地電容為0.3 μF，對地絕緣電阻為60 kΩ；支路L3中各相對地電容為0.3 μF，對地絕緣電阻為60 kΩ；支路L4中各相對地電容為0.2 μF，對地絕緣電阻為75 kΩ。R為限流電阻，Rg為接地電阻。附加直流源DC電壓為36 V。

圖2　漏電保護流程

圖3　660 V供電系統模型

3.2仿真算例

算例1： 支路L3發生單相漏電故障，A相接地(系統過補償20%，則零序電抗器LK電感L=2.345 4 H，初相角θ=0°，接地電阻Rg=200 Ω。)

系統在t=0.01 s時發生單相漏電故障，各支路零序電流I波形如圖4所示。

取t=0～0.03 s的數據，根據最小二乘矩陣束算法計算各支路的直流分量，進而得出各支路的對地絕緣電阻值，結果見表1。

從表1可看出，系統過補償情況下，只有支路L3的對地絕緣電阻值小于11 kΩ。根據660 V供電系統漏電保護判據[15]，可判斷L3為故障支路。可看出漏電保護新方法在故障發生20 ms 內即可選擇性判斷出故障支路。

圖4　系統過補償時各支路零序電流波形

指標L1L2L3L4直流分量/A0.00180.00180.17910.00144絕緣電阻計算值/kΩ20200.20125絕緣電阻理論值/kΩ20200.20025絕緣電阻計算誤差/%000.50

算例2：L3發生單相漏電故障，A相接地(系統欠補償20%，則零序電抗器LK電感L=3.518 1 H，初相角θ=0°，接地電阻Rg=200 Ω)。

系統在t=0.01 s時發生單相漏電故障，各支路零序電流波形如圖5所示。

圖5　系統欠補償時各支路零序電流波形

取t=0～0.03 s的數據，得出各支路的對地絕緣電阻值，結果見表2。

表2　各支路對地絕緣電阻值

從表2可看出，系統欠補償情況下，只有支路L3的對地絕緣電阻值小于11 kΩ。根據660 V供電系統漏電保護判據，可判斷L3為漏電故障支路。可見漏電保護新方法在系統欠補償情況下仍能夠迅速判斷出故障支路。

3.3漏電保護新方法的適應性

在不同補償狀態、接地電阻、故障角情況下進行了大量實驗，結果見表3、表4。可看出漏電保護新方法不受上述因素的影響，未出現錯選或漏選情況。

表3　過補償狀態下漏電保護實驗結果

表4　欠補償狀態下漏電保護實驗結果

4結語

礦井漏電保護新方法在建立礦井電網附加直流源系統的基礎上，利用最小二乘矩陣束算法提取各支路暫態零序電流中的直流分量，并利用絕緣電阻值進行選線。仿真結果表明，該方法能夠迅速地選出故障支路，可靠性較高。

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網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1546.012.html

A new leakage protection method for mine power network

ZHAO Jianwen1,LI Ke1,SUI Xiaona1,LI He2，HE Tao1，ZHANG Senlin1，ZHU Jing1

(1.School of Electrical Engineering and Control, Xi'an University of Science and Technology,

Xi'an 710054, China; 2.State Grid Suzhou Power Supply Company, Suzhou 234000, China)

Abstract：A new leakage protection method was proposed which was based on least-square matrix algorithm. In the method, zero sequence current signal of each brance is extracted on the basis of additional DC source system, and DC component of the zero sequence current signal is extracted by the least-square matrix algorithm. According to the DC component, insulation resistance value of each branch is calculated. If the insulation resistance value of a branch is bigger than action resistance value, the branch is judged as fault branch. The simulation result shows the method is accurate，reliable and with high adaptability.

Key words:mine power network; leakage protection; additional DC source system； least square matrix algorithm; DC component; insulation resistance value

作者簡介：趙建文(1973-)，男，陜西寶雞人，教授，博士，研究方向為電網故障診斷與電力系統信號處理，E-mail：617511357@qq.com。通信作者：李科(1987-)，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為電力系統故障檢測、電能質量，E-mail:likefrp@126.com。 張玉武(1980-)，男，河南南陽人，工程師，現主要從事煤礦機電管理工作，E-mail:41557010@qq.com。

基金項目：陜西省科技廳計劃項目(2015GY049)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(2013JK0867)。

收稿日期：2015-09-07；修回日期：2015-12-15；責任編輯：李明。 2015-11-20；修回日期：2015-12-20；責任編輯：李明。

中圖分類號：TD60

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-01-26 15:46

文章編號：1671-251X(2016)02-0047-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.012

趙建文，李科，隨曉娜，等.礦井電網漏電保護新方法[J].工礦自動化，2016,42(2)：47-51.