煤礦井下低壓電網相敏保護算法的研究與探討

[摘 要]相敏保護是煤礦井下低壓電網主要的繼電保護方法之一，將動態小波變換算法應用在相敏保護之中，既克服了模擬電子電路組成的保護器的錯誤判別，又可以實時在線監測電網的負荷電流數值。采用動態小波變換主要因其既可以準確地捕捉突變信號的特征，并能在不同頻帶上考察信號特征的演化，還可以準確地檢測出平穩的工頻信號，所以將其應用于井下低壓電網負荷電流監測，不但能準確地捕捉到電網負荷電流發生的異常突變，還可以精準地計算正常運行情況下的負荷電流，使相敏保護的裝置做出更加快速、準確的動作，仿真結果驗證了該算法的有效性。

[關鍵詞]井下低壓電網;動態小波算法;負荷電流

[中圖分類號]TM771 [文獻標識碼]A

在綜采工作面上，需要用到大量的電動機設備，而在電動機設備中需要大容量的電動機進行工作。當大容量的電動機在啟動時，其啟動電流的數值較大，很容易跟電網發生短路故障時的故障電流相混淆，使得繼電保護裝置發生誤動作，因此井下低壓電網的短路保護常采用鑒幅式繼電保護進行故障排除。但傳統的鑒幅式繼電保護或電子保護的整定誤差大，動作時間長，可靠性低，還容易造成保護的誤動作。

目前，在煤礦井下低壓電網的相敏保護中，常利用單片機或PLC做控制保護裝置，以克服模擬電子電路組成的保護器的錯誤判別，但無論利用單片機還是PLC做保護控制裝置，都需要選擇合適的算法進行電流和功率因數的計算。本文在分析相敏保護原理的基礎上，提出了采用基于動態小波變換的相敏保護算法，并探討了該算法的可靠性和準確性。

1 相敏保護原理

煤礦井下供電系統中的負載均為感性負載，供電線路及設備在短路或斷相狀態下電流和電壓的相位與正常工作狀態下相比較，是會發生一定的變化。在故障狀態下，總有一相或幾相電流的相位和電壓的相位差趨于零或超前。而在電動機啟動時，電流相位總是滯后電壓，且比正常運行時相位差增大，利用此特點即可區分出供電線路中的電流是故障電流，還是電動機的啟動電流，這就是相敏保護的基本工作原理。同時，電動機在啟動時電流雖然較大，但功率因數比較低，通常在0.35～0.45左右。當煤礦井下供電系統發生短路故障時，功率因數則在0.9以上，與正常工作時相比則很大。

根據相敏保護的一般保護特性曲線，將鑒幅值、鑒相值分別與常數C1、C2相乘后再進行邏輯或，即：

根據（1）式選擇不同的常數C1、C2，可得到不同的臨界動作曲線。根據電網負荷大小選擇不同的Cl、C2，可得到不同的動作區，這樣可取得最佳的保護效果。它不但有較寬的動作界限選擇余地，還有較高的動作靈敏度和可靠性，文中常數Cl、C2分別選擇1.1和0.9。

通過上述介紹的相敏保護的工作原理，可以看出在選擇恰當的常數Cl、C2之后，實時在線檢測并計算出電流和功率因數的大小就可以準確、迅速地鑒別出是井下電網發生了短路故障，還是電機啟動時造成的大電流。

2 利用動態小波變換實時在線檢測電網電流突變值

煤礦井下輸電、供電設備的電纜容易發生絕緣老化而損壞，設備電纜受機械損傷同樣會使絕緣損壞，還有內部過電壓使電氣設備的絕緣擊穿和運行操作人員的誤操作，以及在井下潮濕惡劣條件下絕緣強度不夠等，都容易造成井下電網發生短路故障。此外，巷道發生變形、垮塌等會拉伸電纜，使導線受外力沖擊或擠壓而發生斷線，也會造成短路故障。在短路故障發生時，會產生較大的故障電流，同樣在井下作業的大容量電機在啟動的瞬間也會產生較大的啟動電流。因此保護的主要任務就是井下電網產生大電流時，區分出此大電流屬于短路故障電流，還是電機的啟動電流，從而進行故障保護動作。依據動態小波變換的定義，本文取n=2，α1=α，α2=1-α，所構成的函數為：

根據煤礦井下電力系統的運行情況分析，選取ψ1（t）為傅里葉正弦變換函數sin（2πf1t）， ψ2（t）為db6小波，其中

α1=0.02，α2=0.98， C1=1.1， C2=0.9

f1為工頻50 Hz， 采樣頻率為1600 Hz，用ψ（t）對故障電壓波形進行6尺度下的分解分析。

本文選取1140V井下低壓電網作為研究對象，利用動態小波變換的方法實時在線提取線路中的電流的突變值。

在上表的仿真分析中，為了簡化仿真計算，假設煤礦井下供電系統是三相對稱的負載，所以只考慮單相短路故障和單相接地短路故障。將供電系統中的某一相作為短路故障相（可假設為A相），通過Matlab仿真測試后，故障相的故障電流模極值為表1中的數值。通過表1可以清楚地看出，在Matlab仿真計算中分別設置整定電流為350A和220A，而最大短路電流設置為4200A的前提下，實際測試的故障相電流模極值的最大值和最小值的比值倍數能達到1.2左右，因此通過實時在線觀測數據，就可以觀測到電網負荷大電流的放大倍數是否增大，這樣可以一目了然地發現電網負荷中是否出現了短路故障造成的大電流（電動機在啟動時造成的啟動電流為正常工作電流，其諧波頻率中沒有高次諧波，因此不會產生啟動電流的模極值），從而判斷出電網中的大電流是短路故障造成的故障電流，還是大容量電動機啟動時造成的啟動電流。為了加強繼電保護裝置的準確性，還可以實時在線監測線路中的功率因數，功率因數則可以通過可變電感和電阻來調節，且根據以往測試數據了解到，電動機啟動時的功率因數一般在0.35～0.45左右，而短路時的功率因數則在0.9以上。所以相敏保護就可以可得到不同的臨界動作曲線，這樣可取得最佳的保護效果，從而獲得較高的動作靈敏度和可靠性。

3 結論

本文針對煤礦井下低壓電網的相敏保護的工作原理，探討了采用動態小波變換算法來提取線路上實時電流的模極值，通過模極值的最大值和最小值的倍數比值可準確的計算出電網上是否產生了短路故障的大電流，及產生的大電流與線路正常運行時電流的比值。通過Matlab的仿真數據結果證明，利用動態小波變換提取的故障電流模極值的算法，能實時在線監測煤礦井下低壓電網的負荷電流情況，測試數據準確、可靠，可提高相敏保護的動作靈敏度和可靠性。

[參考文獻]

[1] 王賓，祝龍記.基于單片機的礦用電動機相敏保護的實現[J].工礦自動化，2006（02）.

[2] 李斌，李永麗，黃強，等.單相自適應重合閘相位判距的研究[J].電力系統自動化，2003（22）.

[3] 宋建成，謝恒堃，王雁欣，等.基于功率因數監測的礦井低壓電網相敏保護的研究[J].電網技術，1999（02）.

[4] 高俊嶺，王清靈，朱詠梅.礦用低壓饋電開關中相敏短路保護的研究[J].工礦自動化，2006（06）.

[5] 成敬周，張舉.基于電弧復小波檢測的單相自適應重合閘[J].繼電器，2005（07）.

[6] 李斌，李永麗，曾治安，等.基于電壓諧波信號分析的單相自適應重合閘[J].電網技術，2006（10）.

[7] 周丹，閆鈿，孫麗穎.動態小波變換在單相重合閘故障判別中的應用研究[J].遼寧工業大學學報，2008（01）.

[8] 黃群古，任震，黃雯瑩.基于動態小波變換的電力系統故障信號分析[J].繼電器，2006（03）.