礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位新方法

宗偉林, 許文強， 原亞雷， 戴經(jīng)緯， 皮杰， 宋天寶

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

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礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位新方法

宗偉林, 許文強， 原亞雷， 戴經(jīng)緯， 皮杰， 宋天寶

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

分析了礦井配電網(wǎng)特點及單相接地故障選線與定位難點，提出了一種基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位新方法。該方法通過安裝在礦井配電網(wǎng)線路上的監(jiān)測裝置監(jiān)測到故障發(fā)生時刻，啟動中頻信號注入裝置向配電網(wǎng)系統(tǒng)注入中頻信號，在配電網(wǎng)線路參數(shù)已知的情況下，通過分析工頻故障信號和中頻故障信號來實現(xiàn)故障選線與定位。通過Matlab/Simulink建模、仿真分析和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析計算，驗證了該方法的可行性和正確性。

礦井配電網(wǎng)； 單相接地故障； 故障選線； 故障定位； 中頻信號注入

0 引言

目前中國煤礦高壓電網(wǎng)普遍采用6 kV或10 kV電纜直接供電，電網(wǎng)中性點均采用非直接接地方式。煤礦供電系統(tǒng)作為煤礦生產(chǎn)的動力來源，其供電可靠性將直接影響煤礦生產(chǎn)效率和安全。單相接地故障是礦井高壓供電系統(tǒng)最常見的故障類型[1]，若故障得不到及時處理，極易造成相間短路故障，不僅給人員安全帶來極大威脅，還會對設(shè)備造成極大損害。

現(xiàn)有的接地故障選線裝置[2-4]原理大致可分為基于穩(wěn)態(tài)信號的方法、基于暫態(tài)信號的方法、外加信號法[5]。基于穩(wěn)態(tài)信號的方法有群體比幅比相法[6]、五次諧波法、負(fù)序電流法[7]等。該方法受消弧線圈的影響，穩(wěn)態(tài)信號較弱，信號提取困難。另外系統(tǒng)運行方式、線路長度、過渡電阻等因素也會導(dǎo)致誤選或漏選。基于暫態(tài)信號的方法包括小波分析法、零序電流突變量法[8]、相電流突變量法[9]等。暫態(tài)信號含有豐富的故障信息，且具有受系統(tǒng)運行方式影響小、靈敏度高等優(yōu)點。但從現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，由于單相接地故障狀況復(fù)雜，故障狀況不同，產(chǎn)生的故障特征量在數(shù)值、變化規(guī)律上相差懸殊；故障電流很小，難以保證測量精度；現(xiàn)場的電磁干擾及工頻負(fù)荷電流干擾使檢出的故障成分信噪比非常低，且在電壓過零點時算法失效[10]。外加信號法主要有S信號注入法[11]、變頻信號注入法、脈沖信號注入法[12]等。外加信號法的性能與零序電流的大小、方向等均不相關(guān)，適用于不同接線方式的小電流接地系統(tǒng)。但實際運用中，在故障電阻較大情況下，故障線路與非故障線路的信號差異不明顯；弧光接地時諧波含量豐富，注入信號極易受到干擾，且信號注入能量受電壓互感器的限制不能太高；在接地電阻較大時，非故障線路分布電容會對注入信號進(jìn)行分流，干擾正確選線。

本文提出一種基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位方法，不僅可實現(xiàn)對接地線路的準(zhǔn)確選線，還能對故障位置進(jìn)行精確定位。

1 礦井配電網(wǎng)特點和單相接地故障選線與定位難點分析

礦井配電網(wǎng)特點：① 傳輸線路主要是電纜，向井下供電縱深的電纜線路較長，電纜長度占整個配電網(wǎng)線路長度的比例很大；② 用電負(fù)荷以電動機為主，系統(tǒng)平衡性較以架空線為主的地面配電網(wǎng)好得多；③ 煤礦井下供電負(fù)荷大，礦井配電網(wǎng)以輻射網(wǎng)絡(luò)布局為主，普遍采用多條平行電纜向井下供電；④ 高壓供電系統(tǒng)普遍采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，采用過補償方式，過補償度不確定；⑤ 井下供電的低壓分支線路較少，供電距離較短；⑥ 變頻器負(fù)載相對較多，配電網(wǎng)諧波含量相對較大。

礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位難點：① 采用諧振接地方式，穩(wěn)態(tài)接地電流小，故障線路與非故障線路故障特征不明顯；② 非線性負(fù)載多，配電網(wǎng)本身不確定諧波含量大，對故障信號的提取和分離造成干擾；③ 具有接地方式不確定性和接地時刻隨機性；④ 故障信號的檢測裝置特性不一致，對不同幅值的電壓或電流表現(xiàn)出不同的線性度和失真程度；⑤ 電網(wǎng)參數(shù)(主要包括系統(tǒng)對地電容大小、系統(tǒng)平衡程度、電網(wǎng)補償程度、變電所線路數(shù)及線路長度等[13])對故障選線和定位有影響；⑥ 現(xiàn)場干擾大，信噪比小。

2 基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位原理

基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位方法綜合考慮消弧線圈、電力電子器件開關(guān)頻率、電力系統(tǒng)中含有的諧波頻率(主要為3，5，7，11等奇次諧波)、數(shù)字信號處理等因素，選擇的注入信號頻率為300 Hz中頻信號。與傳統(tǒng)的S信號注入法(220 Hz)和變頻信號注入法不同，該方法主要采用傅里葉方法對信號進(jìn)行處理。

與傳統(tǒng)的單相注入法不同，基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位方法對配電網(wǎng)A，B，C三相同時注入中頻信號。中頻信號通過目前較成熟的整流逆變技術(shù)產(chǎn)生，在逆變的輸出側(cè)增加LCL濾波環(huán)節(jié)，減少其他頻段諧波的影響，提高注入信號的純度，可減少對配電網(wǎng)的污染。針對傳統(tǒng)注入信號法采用電壓互感器或經(jīng)消弧線圈注入信號功率受限制的問題，采用注入信號變壓器注入中頻信號，以提高注入信號功率。具體原理如圖1所示。

圖1 注入信號原理

配電網(wǎng)正常運行時，注入信號變壓器二次側(cè)斷路器處于打開狀態(tài)，并不注入中頻信號。配電網(wǎng)分支線路在高壓開關(guān)處布置有相應(yīng)的監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測配電網(wǎng)運行狀態(tài)。監(jiān)測裝置監(jiān)測到單相接地故障時，會立即向信號源控制裝置發(fā)出信號，且采用零起升壓模式投入中頻信號，防止對配電網(wǎng)造成沖擊。

圖2 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障示意

消弧線圈在中性點對地電壓的作用下產(chǎn)生的電感電流為

(1)

此時系統(tǒng)產(chǎn)生的零序電流為

(2)

式中CΣ為系統(tǒng)對地電容總和。

接地點流過的電容電流經(jīng)消弧線圈流過的電感電流補償，補償后的接地點電流為

(3)

系統(tǒng)諧振點頻率為

(4)

對于頻率為50nHz的注入信號，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈對該信號零序電流的補償作用被大大削弱，此時故障線路與非故障線路的故障信號特征幾乎與中性點不接地系統(tǒng)類似。

此時注入信號的零序電流分布特征如下。

(1) 非故障線路注入信號的零序電流方向由母線流向線路，隨著到母線距離的增加，零序電流幅值不斷減小，線路末端零序電流幾乎為零。

(2) 故障線路上故障點下游監(jiān)測點注入信號的零序電流與非故障線路上注入信號零序電流在方向和幅值上表現(xiàn)的特征相同。

(3) 故障線路上故障點上游各監(jiān)測點零序電流方向由線路流向母線，幅值隨到母線距離的增加而增大，與非故障線路和故障點下游的故障信號特征相反。

故障區(qū)段定位的原理基于監(jiān)測點之間的相鄰?fù)ㄐ牛ㄟ^對比相鄰監(jiān)測點之間的故障信號特征做出故障區(qū)段判別。

故障點定位方法主要采用虛部電抗法，求出故障點所處區(qū)段首端監(jiān)測點與故障點之間線路電感值，根據(jù)線路單位電感值計算監(jiān)測點與故障點距離。故障點定位原理如圖3所示。

圖3 故障點定位原理

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Lf為故障線路段電感；iC0P，iC0M，IC0P，IC0M分別為工頻與注入中頻信號的零序電流瞬時幅值和有效幅值。

將式(7)乘以IC0M，等式兩邊分別減去式(8)乘以IC0P得到的等式兩邊，得

(9)

根據(jù)線路的具體參數(shù)，得到故障線路段長度：

(10)

式中L0為線路單位長度的零序電感。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

在Matlab/Simulink中搭建了6 kV諧振接地系統(tǒng)4線路仿真模型，如圖4所示。考慮到煤礦配電網(wǎng)的特點，模型中包含1條架空線路、1條混合線路、2條電纜線路，具體參數(shù)見表1。消弧線圈的補償度取10%，由線路參數(shù)求得系統(tǒng)對地電容總和CΣ，可計算出消弧線圈電感LN。

圖4 6 kV諧振接地系統(tǒng)4線路仿真模型

線路類型相序電阻/(Ω·km-1)電容/(μF·km-1)電感/(mH·km-1)架空線路零序正序0.2300.1700.0060.0105.4751.210電纜線路零序正序2.7000.2700.2800.3391.0190.255

消弧線圈的有功損耗約為感性損耗的3%，計算得消弧線圈阻值RL=2.280 Ω。

3.2 仿真結(jié)果

故障點設(shè)置在線路l3上，接地電阻設(shè)置為10 Ω，故障發(fā)生在t=40 ms時。發(fā)生單相接地故障時，中頻信號注入裝置啟動，向配電網(wǎng)注入中頻信號。工頻信號和中頻信號的零序電壓U0P，U0M與零序電流I0P，I0M如圖5、圖6所示。

(a) 零序電壓

(b) 零序電流

(a) 零序電壓

(b) 零序電流

由圖5和圖6可知，對于同一類型的單相接地故障，工頻信號與中頻信號在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)上表現(xiàn)出近似相同的性質(zhì)和特點，可通過分析工頻故障信號與中頻故障信號來判別故障線路、故障區(qū)段和故障位置。

分別檢測工頻信號和中頻信號下故障線路和非故障線路的零序電流，并對穩(wěn)態(tài)情況的相位進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可以驗證故障狀態(tài)情況下，消弧線圈對于單相接地故障下工頻信號零序電流和中頻信號零序電流的不同補償效果。穩(wěn)態(tài)下對于工頻信號，消弧線圈為過補償方式，故障線路的故障相與非故障相上由故障產(chǎn)生的電流功率方向一致，故障線路的零序電流和非故障線路的零序電流功率方向一致。穩(wěn)態(tài)下對于中頻信號，消弧線圈為欠補償方式，故障線路的故障相與非故障相上由故障產(chǎn)生的電流功率方向相反，故障線路與非故障線路零序電流功率方向相反。該特征可作為故障選線的判據(jù)。結(jié)合同一線路不同監(jiān)測點監(jiān)測到的故障信號特征，以及相對于電源變壓器的上下邏輯關(guān)系可以選出故障區(qū)段。

(a) 線路l1

(b) 線路l3

(c) 線路l4

(a) 線路l1

(b) 線路l3

(c) 線路l4

設(shè)故障點位置不變，改變故障點過渡電阻值，分別進(jìn)行仿真，監(jiān)測點位于故障線路首端距離故障點2 km處。根據(jù)監(jiān)測到的故障線路各相電流與電壓，分別得到故障相C相工頻信號與注入中頻信號的零序電流(IC0P，IC0M)、零序電壓(UC0P，UC0M)和故障線路段上零序電壓，見表2。

表2 故障點監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表2可看出，計算得到的監(jiān)測點與故障點間距接近實際故障距離2 km，基本可以驗證基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位方法的可行性。該方法故障定位精度隨接地點過渡電阻的增大而減小，主要原因是過渡電阻的增大減弱了故障信號的強度，降低了采樣精度。

4 結(jié)語

基于中頻信號注入式礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位方法與現(xiàn)有的信號注入方法相比，其借助特定的信號注入變壓器注入頻率為6倍頻工頻信號的中頻信號，通過分析穩(wěn)態(tài)工頻信號和注入的中頻信號來確定故障位置，有效提高了故障定位的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法不僅有效解決了過渡電阻對傳統(tǒng)定位方法的限制問題，而且可以在線反復(fù)多次注入信號、分析特征、定位故障, 還可以調(diào)節(jié)注入信號的強度，以提高定位的有效性。通過Matlab/Simulink的仿真和相應(yīng)計算，驗證了該方法的可行性和正確性。

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A new type of single-phase grounding fault line selection and ocation method for mine distribution network

ZONG Weilin， XU Wenqiang, YUAN Yalei, DAI Jingwei, PI Jie， SONG Tianbao

(School of Information and Electrical Engineering， China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Characteristics of mine distribution network and difficulties of single-phase grounding fault line selection and location were analyzed. A new type of single-phase grounding fault line selection and location method for mine distribution network was proposed which was based on intermediate frequency signal injecting type. Through monitoring device of mine distribution network to detect fault occurrence time, intermediate frequency signal injecting device starts to inject intermediate frequency signal at the same time. Fault line selection and fault location are realized by analyzing power frequency fault signal and the intermediate frequency fault signal when distribution network parameters are known. Through Matlab/Simulink modeling, simulation analysis and corresponding data analysis and calculation, feasibility and correctness of the method are verified.

mine distribution network; single-phase grounding fault; fault line selection; fault location; intermediate frequency signal

1671-251X(2016)11-0045-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.011

宗偉林，許文強，原亞雷，等.礦井配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位新方法[J].工礦自動化，2016,42(11)：45-50.

2016-07-25；

2016-09-28；責(zé)任編輯：李明。

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(SJLX15_0697)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目(201610290026)。

宗偉林(1963-)，男，江蘇常州人，副教授，碩士，主要研究方向為電力電子與電氣傳動、礦山自動化、數(shù)字化礦山、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，E-mail：cumtzwl@126.com。通信作者：許文強(1991-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電氣傳動、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，E-mail：anlixuwenqiang@163.com。

TD60

A

時間：2016-10-28 16:27

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1627.011.html