適用于礦山電網的單相接地故障選線新方法

王清亮,趙東強,邵磊，李忠

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安　710054)

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適用于礦山電網的單相接地故障選線新方法

王清亮,趙東強,邵磊，李忠

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安710054)

針對現有礦山電網故障選線方法信號檢測靈敏度低、受中性點運行方式及接地點電弧的影響大等問題，分析了單相接地故障的序電流及諧波電流特性，根據基波負序電流主要經接地線路首端流向系統、非接地線路首端無基波負序電流流過等結論，提出了一種以基波負序電流為主判據、諧波總電流為輔助判據的單相接地故障選線新方法，并對該方法進行了可靠性分析及仿真計算。仿真結果表明，與傳統故障選線方法相比，該方法受中性點運行方式、故障類型等因素的影響小，具有更好的可靠性和自適應性。

礦山電網；故障選線；單相接地故障；負序電流；諧波電流

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1011.013.html

0　引言

與公用配電網相比，礦山電網具有如下特點：① 礦山多屬高危險場所，發生單相接地后要求立即斷電，而公用配電網則允許單相接地后繼續運行；② 單相接地多伴有弧光；③ 電流波形畸變較為嚴重；④ 礦井電氣設備屬防爆型設備，不允許拆開外殼接線，選線裝置無法獲取同一條母線上所有饋線的零序電流。這些特性使得礦山電網故障選線方法與公用電網故障選線方法有較大差異。

現有的故障選線原理通過比較同一條母線上所有饋線的零序電流辨識接地線路[1-6]，選線方法分為暫態量選線方法和穩態量選線方法，實際應用中主要采用穩態量選線方法。穩態量選線方法主要包括基波零序分量法[2]、零序有功電流法和5次諧波分量法[3,5]，應用中存在的缺陷：① 信號幅值小，場干擾大，信號檢測靈敏度低；② 基波零序分量法受中性點運行方式及接地點電弧的影響大。

針對以上問題，本文深入分析礦山電網發生單相接地故障時的序電流特性，根據礦山電網諧波量較大的特點，提出了一種基于基波負序電流和諧波總電流的單相接地故障選線方法。該方法可有效改善現有故障選線方法的不足，有良好的自適應性和可靠性。

1　故障特性分析

1.1基波負序電流分布特性

圖1　基波負序電流分布

由圖1可知

(1)

(2)

負載負序阻抗較大，是線路負序阻抗和系統負序阻抗的近百倍[7]。基波負序電流的關系：

(3)

(4)

發生單相接地故障時，基波負序電流在礦山電網中的分布規律：① 基波負序電流經單相接地線路流向系統側；② 在單相接地線路首端流過較大的基波負序電流，非接地線路首端無基波負序電流流過。

1.2基波零序電流分布特性

圖2　基波零序電流分布

由圖2可知

(5)

系統零序阻抗遠大于饋電線路的零序阻抗，因此有

(6)

(7)

基波零序電流在礦山電網中的分布規律：① 基波零序電流不流經系統側和負荷側，主要經單相接地線路首端流向所有非接地線路，單相接地線路上的基波零序電流值最大；② 非接地線路首端流過基波零序電流；③ 基波零序電流受接地點阻抗、中性點運行方式和消弧線圈參數的影響大。

1.3序電流特性仿真

以3回饋線的10 kV供電系統為例進行仿真。系統阻抗為(0.25+j0.9)Ω，消弧線圈過補償度為7%，3回饋線的長度分別為2，3，5 km，線路正序阻抗、零序阻抗分別為(0.17+j0.38) Ω/km，(0.23+j1.72) Ω/km，對地零序容納為1.884 μS/km，第3條饋線的負載不對稱。

當消弧線圈退出運行時，各線路的基波負序電流和基波零序電流波形如圖3所示。由于線路的零序阻抗比線路的負序阻抗大，所以在接地線路首端處的基波負序電流略大于基波零序電流，如圖3(a)所示；非接地線路首端處的基波負序電流很小，而基波零序電流遠大于基波負序電流，如圖3(b)、圖3(c)所示。仿真的基波序電流規律與理論分析一致。

(a) 接地線路

(b) 非接地線路1

(c) 非接地線路2

當消弧線圈投入運行時，仿真波形如圖4所示。由于非接地線路上的基波序電流與沒有接入消弧線圈時的變化規律相同，圖4中只給出接地線路的序電流波形。由于消弧線圈的影響，接地線路首端基波零序電流迅速減小，且方向發生變化，而基波負序電流幾乎沒有變化，驗證了基波負序電流不受中性點運行方式影響的結論。

圖4　中性點接有消弧線圈時接地線路的序電流

2　諧波電流特性

礦山電網中有大量非線性電氣設備，使得饋電線路中諧波含量較為可觀；實際運行中，純阻性接地故障發生率較低，單相接地往往伴有弧光，導致故障電流中含有大量諧波。筆者近年來對10個礦山電網進行了諧波測試，結果表明多數饋線的電流畸變率波動范圍為4%～10%，下井饋線、通風饋線及提升饋線的電流畸變率更高，甚至達20%～30%。

消弧線圈的參數是根據基波計算的，對各次諧波不具有補償作用,因此，發生單相接地故障時，諧波的變化規律不受消弧線圈的影響，其特性與中性點不接地方式下基波零序電流的規律類似。

3　單相接地故障選線新方法

本文提出一種以線路基波負序電流為主判據、諧波電流為輔助判據的單相接地故障選線新方法，選線原理如下。

(1) 選線主判據。當基波負序電流最大，且該線路基波負序電流遠大于其他饋線基波負序電流時，判斷該線路發生單相接地故障，即

(8)

(9)

(2) 輔助判據。基波負序電流不受中性點運行方式、饋線參數不平衡的影響。但消弧線圈會減小基波負序電流，影響選線靈敏性。為消除消弧線圈及低壓側負荷不對稱引起的選線誤判，選用諧波電流作為輔助判據。接地線路的綜合諧波電流為

(10)

4　可靠性分析

4.1性能分析

發生鐵磁諧振時，電網零序電壓會大幅升高，與單相接地故障非常相似，易導致選線裝置誤動作。鐵磁諧振發生在線路對地分布電容和系統對地電感之間，這是一個零序回路，而負序電流不流經該回路；原西北電力試驗研究所對10 kV電網進行計算，得出系統中可能出現的諧振主要為分頻諧振和基頻諧振[6]，諧波電流特性不受系統諧振的影響。因此，采用基波負序電流與諧波總電流作為選線特征參數能有效提高故障選線的可靠性，避免誤判。

基波負序電流的流通回路不包含線路分布電容、消弧線圈，其分布規律不受配電網中性運行方式、線路參數不平衡的影響；礦山電網中性點均采用非有效接地方式，負序回路的振蕩衰減時間常數遠小于零序回路的時間常數。因此，基波負序電流受電弧的影響較基波零序電流小，有良好的抗弧光能力。

在單相接地線路上，基波負序電流與基波零序電流在數值上相差不大，而在非接地線路上無基波

負序電流流過，本文通過分析基波負序電流信號的有無來辨識單相接地線路，相對于比較各線路基波零序電流的方法具有更好的靈敏性。

4.2仿真計算與分析

以母線接有5條饋線的10 kV供電系統為例進行仿真,饋線長度分別為0.5,2,3,1,5 km,線路參數與1.3節中模型相同。第1條和第4條饋線的負載不對稱。在中性點經消弧線圈接地電網中，鐵磁諧振及弧光的發生概率較低，因此，仿真中的弧光和諧振算例只在中性點不接地方式下設置。仿真計算結果見表1，其中I表示中性點不接地，II表示中性點經消弧線圈接地。由表1可知，接地線路首端的基波負序電流遠大于非接地線路的基波負序電流，基波負序電流分布系數k均大于0.98，接地線路的綜合諧波電流最大。

表1　單相接地故障選線新方法仿真計算結果

表2　傳統方法仿真計算結果

5　結語

基于基波負序電流和諧波總電流的單相接地故障選線方法以基波負序電流為選線主判據，諧波電流為輔助判據。與現有故障選線方法相比，該方法受中性點運行方式、故障類型等因素的影響小，可直接應用于礦山地面變電所。該方法應用于礦井變電所時，可只采用基波負序電流作為選線判據。由于基波負序電流只流過接地線路首端，不需要獲取和綜合比較所有線路的故障信息，非常適合應用在礦井、化工、石油等具有易燃性物質的企業電網中。

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A novel line selection method of single phase grounding fault suitable for coal mine power network

WANG Qingliang,ZHAO Dongqiang,SHAO Lei,LI Zhong

(School of Electrical and Control Engineering,Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China)

For problems that existing fault line selection methods for coal mine power network had low detecting sensitivity and were easily influenced by neutral point operation mode and electric arc at grounding point,characteristics of sequence current and harmonic current of single phase grounding fault were analyzed,and conclusions were gotten including that the fundamental negative sequence current was allotted to distribution system from grounding line head,and no fundamental negative sequence current flowed through health line head.According above conclusions,a novel line selection method of single phase grounding fault was proposed which took fundamental negative sequence current as the first criteria and harmonic current as the second criteria,and reliability analysis and simulation calculation about the method were taken out.The simulation results show that there is little influence on the method by neutral point operation mode and fault type,and the method has better reliability and adaptability compared with traditional methods.

coal mine power network; fault line selection; single phase grounding fault; negative sequence current; harmonic current

1671-251X(2016)10-0040-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.009

王清亮,趙東強,邵磊,等.適用于礦山電網的單相接地故障選線新方法[J].工礦自動化，2016,42(10)：40-44.

2016-05-24；

2016-08-19；責任編輯：李明。

陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2015JM5211)；陜西省教育廳科研計劃資助項目(2013JK1007)。

王清亮(1969-)，女，山西永濟人，教授，博士，長期從事煤礦電氣安全方面的研究工作，E-mail:wangxjql@163.com。

TD60

A網絡出版時間：2016-09-30 10:11