煤礦高低壓電網選擇性漏電保護技術研究

張 華

（大同煤礦集團機電管理處 ，山西 大同 037003）

0 引言

《煤礦安全規程》規定礦井的變電所高壓饋電線路上嚴格具備具有選擇性的單相接地保護裝置；向井下移動變電站和電動機供電的高壓饋電線路上安裝具有選擇性動作與跳閘的單相接地保護裝置。目前煤礦井下高壓漏電保護主要存在的問題是沒有選擇性，故障選線不準確，誤判現象嚴重，容易引發漏電越級跳閘。上述問題主要表現為某支路因發生漏電被判斷發生漏電故障時，正常支路也可能被錯誤地判斷為發生漏電故障，常出現一條支路漏電、幾條支路同時漏電跳閘的現象，導致現場人員無法真正確定哪條線路發生了漏電；下級變電所某支路發生漏電時，該支路不能及時準確地判斷出漏電故障，導致故障直接延伸至上級變電所，造成上級變電所漏電跳閘，下級變電所大面積停電。上述問題在我國煤礦供電系統中普遍存在，給礦井安全生產和供電帶來嚴重隱患。

煤礦高低壓電網中發生上述問題的原因可以概括為①某條支路發生漏電故障時，整個高壓電網變壓器下的所有支路都有零序電壓和零序電流。②故障信息雜亂無章，沒有一定的規律性。③故障暫態過程時間較短，故障信息中包含大量低頻、高頻成分。④故障支路的50Hz基波含量因被消弧線圈補償而使基于零序功率的方向原理失效[1]。

1 煤礦井下高壓漏電保護方法

目前，煤礦井下實現高壓漏電保護的方法有高爆開關中的綜合保護器、選擇性漏電保護裝置和電力監控防越級跳閘系統。

1）高爆開關中的綜合保護器。高爆開關中的綜合保護器實現漏電保護的基本原理是通過采樣本支路的零序電壓、零序電流，采用零序功率方向原理，判斷該支路是否發生漏電[2]。當零序電壓、零序電流都超過整定值時，即判斷發生漏電故障。其不足和缺陷是①發生接地故障時，由于消弧線圈抵消掉故障支路中的基波含量，使得基于零序功率方向原理的漏電保護選線方法失效；②僅僅依靠零序電壓、零序電流判斷是否發生漏電，沒有與其他支路比較判斷，有很大的局限性。

2）選擇性漏電保護裝置。目前現有的一些廠家雖然有高壓選擇性漏電保護的防爆證和煤安證，但是現場實際應用情況都不是很理想，存在選線正確率低、誤判現象嚴重等問題。分析存在上述問題的主要原因是：①采用基于50Hz的常規零序電流互感器，故障信息被消弧線圈補償，未被補償的故障信息微弱，丟失掉很多高低頻的故障信息；②硬件結構沒有實時同步采樣功能。采用AD+CPU而不是FPGA+AD+CPU的硬件結構，沒有光纖接口，不能和電力監控供電系統相融合；③采用的漏電選線原理過于單一，單純依靠某一種原理判斷漏電故障[3]。

3）電力監控防越級跳閘系統。電力監控系統主要是為了防止因短路而造成的越級跳閘，雖然帶有漏電保護的功能，但是仍不能解決高壓選擇性漏電保護的問題，時常出現誤跳現象。電力監控系統一般通過更換高爆中的綜合保護器，通過光纖和分站、地面的監控計算機連接來實現選擇性漏電保護。

圖1 防越級跳閘系統電力監控原理圖

分析其原理圖可知，每個綜合保護器采樣本支路的零序電壓、零序電流，本支路漏電判斷結果通過光纖傳送到分站，分站傳送到地面主機，由主機綜合判斷實現選擇性漏電保護功能。

2 漏電選線原理分析

目前電力監控系統中采用的漏電保護原理主要是注入信號法、模式識別法、零序導納法和有功分量法[4]，在一定程度上可以實現漏電保護功能，但都因存在一些缺陷而很難作出準確的判斷。

1）注入信號法。注入信號法首先根據零序電壓大小是否超過定值，超過定值后，通過電壓互感器注入某一特定低頻率的電流信號并通過接地點返回注入系統而形成回路，利用與之匹配的信號電流探測器進行探測。此方法雖然原理簡單，但是現場應用情況并不理想，主要原因是①注入的信號因變壓器功率小而十分微弱，準確測量的難度較大；②如果故障線路的接地電阻較大，則故障支路和非故障支路的差別不是很明顯；③需要額外增加信號附加裝置，增加成本。

2）模式識別法。模式識別法首先假設電網中的所有同級線路都為非故障支路，然后列出每條支路的微分方程并求解出未知參數，如果求解出的參數符合模型中的設定值，則判斷為非故障支路；如果求解出的參數不符合模型中的設定值，則判斷為故障支路。該方法與所建立的方程有較大聯系，每一條支路都要建立微分方程，解方程較為復雜；在方程處理上用差分方程代替微分方程，為保證算法精度又需要其有較高的采樣頻率，運算復雜，選線正確率低。

3）零序導納法。零序導納法利用中性點的位移電壓實時檢測出各線路的對地導納系數，當電網處于故障狀態時，通過比較故障前后的導納系數變化判斷故障支路。這種方法主要用于高阻接地故障檢測，信號處理技術復雜，測量變送通道要求的靈敏度和精確度高[5]，目前很難得到可靠的基波電流向量，同時消弧線圈又補償掉基波含量，因此該方法檢測故障的精度很低。

4）有功分量法。當發生漏電故障時，故障支路和正常支路的零序電流有功分量方向相反，利用這一特點可以進行選線。但是高阻故障線路的故障電流本身就很小，從中能夠提取到的有功分量更小，因此故障選線容易誤判。

3 高低壓電網選擇性漏電保護技術

準確可靠地實現高壓選擇性漏電保護的前提是能夠同步實時采集變電所內所有支路的零序電壓、零序電流，且必須保證采樣信息的完整性，不丟失掉故障時的高低頻故障信息。

選擇性漏電保護的原理是相電壓過零點附近發生故障的選線判據是基于衰減的直流分量法，相電壓最大值附近發生故障的選線判據是首半波法、暫態脈沖極性法和小波包分頻法[6]。

1）衰減直流分量法。如果故障發生在相電壓過零點的附近，則故障支路暫態信息中的高頻分量不明顯，但衰減直流分量較大，而未發生故障的支路幾乎不含有衰減直流分量，且未發生故障的支路的零序電流均為負值。

2）首半波法。如果故障發生在相電壓的最大值附近，則在故障初期的0～5ms內，故障支路和非故障支路的脈沖方向相反。

3）暫態脈沖法。如果故障發生在相電壓的最大值附近，則在故障初期的0～5ms內，故障支路的暫態脈沖幅值比非故障支路的大很多。

4）小波包分頻法。如果發生單相接地故障，則故障信息中會含有大量的高頻成分，通過FPGA高速同步采樣零序電流，利用小波包進行多重分解，非故障線路中的零序電流高頻分量投影到小波包頻段上后呈現相同的波形變化特征，而故障支路則呈現相反的波形變化特征。

高壓電網選擇性漏電保護系統可以遠程實時監控煤礦地面和井下的所有變電所漏電故障，該系統主要包括位于井下變配電所的本地保護裝置和位于地面中控室監控室內的區域保護裝置。系統拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 系統拓撲結構圖

4 結語

高低壓電網選擇性漏電保護技術可實現準確可靠的高壓選擇性漏電保護，給煤礦安全生產和安全供電提供了技術保障，對促進我國煤炭企業安全高效發展具有重要的現實意義。