煤礦電網單相漏電故障區段自動定位探索

高宏杰， 趙建文， 郭秀才

(1.甘肅靖遠煤業集團有限責任公司， 甘肅 白銀 730913；2.西安科技大學 電氣與控制工程學院， 陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦電網是煤礦生產設備的動力來源，可靠的電能供應對于煤礦生產至關重要。單相漏電故障是煤礦電網中發生概率最高的電氣故障，約占煤礦電網電氣故障總數的80%。因此，煤礦電網的單相漏電保護技術是實現煤礦電網可靠供電的關鍵技術。

煤礦電網多為中性點非有效接地系統(小電流接地系統)，其中包括中性點不接地系統和經消弧線圈接地系統。目前，煤礦電網的單相漏電保護技術的研究重點在于檢測故障饋出線，即選漏。為了縮小停電范圍和制定檢修順序，在確定出故障饋出線后，需進一步明確故障發生的位置。但目前仍通過人工查找故障位置，效率低且費時費力。

煤礦電網單相漏電區段自動定位技術能夠確定故障所發生的區段，是更為精確的單相漏電保護定位方式，可避免傳統單相漏電保護停電范圍大的問題，有利于保證煤礦電網對重要負荷的供電。本文分析了單相漏電故障區段自動定位的必要性，并對故障過程機理、故障信號處理及特征規律、定位方法進行了研究，分析了存在的問題并給出了研究建議，以推動煤礦電網單相漏電區段自動定位技術的發展。

1 單相漏電故障區段定位研究的必要性

1.1 單相漏電故障檢測需求

煤礦采區變更頻繁，生產設備容量較大且啟停頻繁，煤礦出現巷道變形、掉矸或坍塌等情況時易損壞電纜絕緣，且煤礦生產環境特殊，井下空間狹小、空氣潮濕，因此，煤礦供配電系統易發生單相漏電故障。單相漏電易產生電火花，有引爆瓦斯的可能性。因此，特殊的煤礦生產環境需要高可靠的單相漏電檢測技術。準確識別故障區段并隔離故障，可保證對非故障區域特別是重要負荷的電能供給，有利于煤礦安全生產。

1.2 單相漏電故障區段定位價值

目前，煤礦電網高壓部分的電壓等級一般為10 kV或6 kV，煤礦井下供電系統為全電纜網絡，供配電結構多為干線串級結構，具有多分支、短電纜、多段數、多級數的特點。同一等級電壓線路通常要穿越多個變電所才能到達采區。

在煤礦電網發生單相漏電故障后，通過選擇性單相漏電保護找出故障饋線，再對故障饋線的故障區段進行自動定位并快速隔離故障，可縮小停電范圍，對維持重要設備的運轉至關重要。

隨著智能饋電開關、千兆高速環網等技術設備在煤礦井下的應用，電網的運行信息可實時動態獲取，為利用電網運行狀態信息進行故障自動區段定位提供了條件。

實現單相漏電區段自動定位的基礎性研究內容主要包括單相漏電故障過程機理、單相漏電故障信號處理及特征規律、單相漏電故障自動定位方法。

2 單相漏電故障的過程機理研究

明確故障過程機理是獲得故障特征的前提，也是研究故障處理方法的基礎。在故障機理模型的基礎上獲得特征信號的數學解析表達式，以便于構造判據，確定單相漏電故障發生的區段。下面對單相漏電故障機理模型及其存在的問題進行總結，并對故障機理模型的研究提出建議。

2.1 單相漏電故障機理模型

(1) 故障穩態過程序網絡模型。采用對稱分量法對穩態過程進行建模，將系統分解為傳統頻域內的正序網絡、負序網絡及零序網絡。通過分析故障網絡，獲得故障物理量的數學解析表達式，如零序電壓、零序電流等與系統電壓、電網參數之間的數學關系。

(2) 故障暫態過程序網絡模型。采用卡倫鮑爾變換對暫態過程進行建模，將系統分解為1模、2模和0模網絡[1]。其中0模網絡即常說的零序網絡，0模電流暫態特征常被用于辨識故障。

(3) 暫穩態一體化序網絡模型。文獻[2]利用瞬時對稱分量法對礦井電網單相漏電暫穩態一體化建模，實現了穩態過程和暫態過程的統一建模。利用瞬時對稱分量法將系統分解為瞬時實部網絡、瞬時虛部網絡、瞬時零序網絡。瞬時零序網絡結構與卡倫鮑爾變換條件下的0模網絡一致。

2.2 單相漏電故障機理模型存在的問題

(1) 若采用不同的變換方法對穩態過程和暫態過程進行建模，除0模和零序網絡意義相同外，其他序網絡的意義不同。暫穩態建模方法的不統一，導致后續故障信號不一致。而故障過程本質是暫穩態一體的持續和變化過程。因此，暫穩態一體化的瞬時序網絡模型還需進一步研究。

(2) 穩態特征適用于中性點不接地的系統，在經消弧線圈接地的系統中穩態特征存在盲區。

(3) 故障的建模與機理分析主要以選漏為目的，單相漏電故障過程的建模與分析研究只能選出單相漏電故障饋出線。而要確定某饋出線中的單相漏電故障區段，需分析故障饋線的故障點上下游關系。

(4) 單相漏電故障精確建模較為復雜。

2.3 單相漏電故障機理模型的研究建議

(1) 現代故障建模機理的深入研究應同時考慮故障定位與選漏要求，從可觀測點的網絡分布角度研究建模。

(2) 將暫態過程與穩態過程進行一體化精確建模，檢測及探索更多可利用的故障特征。

(3) 探索數據驅動的故障過程研究。現有的單相漏電故障研究以建立電路模型為主要研究方式，屬于模型驅動的研究方式。隨著物聯網、智能檢測、人工智能技術的發展，更多故障數據可以被錄波、存儲和獲取，因此，可基于故障數據挖掘探究故障過程機理。

3 故障信號處理方法及故障特征規律

故障信號處理方法及故障特征規律是故障區段定位方法建立的依據。目前故障信號處理方法及故障特征規律研究常用于故障選線和測距中。穩態特征易受系統消弧線圈的影響，而暫態特征不受系統消弧線圈的影響。因此，目前研究主要集中于對暫態過程中故障特征的提取。暫態零序電流波形復雜，頻譜豐富，目前常用各種現代信號分析方法對暫態零序電流進行分析。

3.1 故障信號處理方法分析

(1) 小波(包)分析法。應用小波與小波包分析法提取暫態零序電流故障特征，通過小波分析獲得信號的時頻特性。利用小波(包)算法提取暫態零序電流的幅值、極性、特征頻帶能量等信息，實現故障選線和故障測距。小波(包)分析法的缺點是沒有成熟的選擇最佳小波函數的方法[3]。

(2) 其他分析方法。暫態過程機理復雜，信號非規整，含有的頻譜豐富，文獻[4-9]利用現代信號分析方法分析暫態零序信號，獲得故障暫態特征規律，如幅值、極性、能量、信息熵、直流分量、相關性、波形差異性等。prony算法在提取含衰減因子各次諧波方面有優勢，但該算法需要迭代與擬合，對高頻信號擬合效果欠佳[4]。利用數學形態學濾波特性，可輔助小波分析能量選線，但結構元素的選取對濾波效果的影響需進一步研究。文獻[5]利用希爾伯特-黃(HHT)變換提取零序電流行波波頭的極性選線，但HHT變換分析信號的邊界條件處理比其他方法復雜。文獻[6]利用S變換良好的時頻局部化特性，計算能量集中的頻段，可實現故障選線。文獻[7]將矩陣束算法應用于處理特征信號檢測故障。文獻[8]提出了信號距離度的模型，分析零序信號的差異性，實現快速單相漏電保護。文獻[9]利用改進FastICA盲源分析辨識故障特征選線。

3.2 故障特征規律研究存在的問題

(1) 特征規律缺乏普適性。現有特征規律是模型驅動下的規律，是定性的特征規律，缺乏嚴格的理論證明，不具有各種故障條件的普適性。

(2) 現有故障特征規律研究主要以選線和測距為目的，對于故障上下游各區段的信號特征及其分布的研究較少。

(3) 獲得的故障特征規律主要針對永久性故障，對電弧型故障研究較少。

(4) 提取的信號特征存在混疊。

(5) 可用于故障辨識的信號有限。

3.3 故障特征規律研究建議

(1) 借鑒地面配電網故障特征研究方法和成果，對煤礦全電纜網絡單相漏電的特征規律進行研究。

(2) 對電弧性故障機理及其特征規律、隨機干擾因素的影響進行研究，更好地獲得特征規律。

(3) 對實用有效的信號分析和特征提取算法進行研究。

4 單相漏電故障自動區段定位方法

目前，單相漏電故障區段定位方法研究主要依據故障零序電流特征展開，包括基于穩態量的方法和基于暫態量的方法。

4.1 基于穩態量的單相漏電故障區段定位方法

基于穩態量的單相漏電故障區段定位方法根據零序電流的大小、相差等穩態過程中的故障特征進行單相漏電故障區段定位。文獻[10]模擬采集零序電流值進行定位。文獻[11]利用圖和樹結構標志及零序穩態電流相位實現了中性點不接地系統的定位。文獻[12]構造基波零序電流故障方向測度定位，解決了中性點不接地系統單相接地故障定位問題。

4.2 基于暫態量的單相漏電故障區段定位方法

基于暫態量的單相漏電故障區段定位方法利用暫態零序電流行波、頻譜能量、脈沖突變量、脈沖極性波形相似性等進行定位。文獻[13]利用零序電流行波實現定位，但單端行波法可靠性不高，難以識別故障點反射波[14]，行波法僅適用于分支少、結構簡單的中壓配電線路，且需要較高的采樣頻率[15]。文獻[16]采用小波包分解暫態零序電流，利用信息熵度量頻譜能量，對應熵最大的線路段為故障區段，該方法在不同故障點、不同故障角、不同接地電阻條件下均可實現故障定位，但最佳小波函數的選擇難度較大。文獻[17]基于廣義S變換能量相對熵進行故障區段定位，但在提取更具分辨能力的信號特征量方面有待進一步改進。文獻[18]以廣域同步測量為基礎，利用暫態零序電流脈沖突變與極性相反的特點實現煤礦電網故障區段定位，但電流突變法對弧光和間歇性接地故障效果差。文獻[19]提出利用暫態零序電流在暫態零序電壓上的投影分量特征實現故障區段定位，解決了高阻接地問題。文獻[20]提出了DS證據理論融合暫態零序電流差異性、相關性、灰色關聯性的單相漏電保護方法，突破了單一特征方法的局限性，提高了容錯性。

4.3 單相漏電故障區段自動定位方法存在的問題

(1) 《煤礦安全規程》規定，井下高壓電網必須將接地電流限制在20 A以下，煤礦電網裝設了消弧線圈來限制電流大小。穩態特征易受消弧線圈的補償作用影響，導致區段定位不準。

(2) 暫態特征衰減快且不穩定，對電壓過零、高阻接地等故障無法實現定位。

(3) 影響單相漏電故障特征的因素較多，且零序電流特征本身也存在缺陷，導致單相漏電故障區段定位方法存在局限性。

(4) 單相漏電故障特征微弱且易受不穩定故障電弧及隨機因素的干擾，因此，定位方法的準確性易受不穩定電弧及隨機因素的影響。

(5) 煤礦電網單相漏電故障機理復雜，故障特征受網絡結構、故障合閘角、線路長度、故障點的位置、接地電阻大小等多種復雜因素影響，導致現有故障識別方法適應性不足。

4.4 單相漏電故障區段自動定位方法研究建議

(1) 采用模式識別、人工智能、數字孿生[21]等新興技術，探索適用于不同中性點運行方式的小電流接地系統故障區段定位方法，消除消弧線圈對故障識別的影響。

(2) 對于微弱且復雜的故障信號，研究專用于單相漏電信號檢測的高精度傳感器，實現信號檢測的準確獲取。

(3) 單相漏電故障區段定位方法與裝置研究必須適合煤礦電網特點。煤礦電網線路全為電纜且井下生產環境特殊，對礦井電網的故障自動區段定位裝置要求更高。

5 結語

故障區段定位對于煤礦電網的安全運行及煤礦安全生產具有重要意義。分析了單相漏電故障區段自動定位研究的必要性。對單相漏電故障機理模型、現有故障特征信號處理方法、基于穩態量及暫態量的單相漏電區段定位方法進行了介紹，對存在的問題進行了總結，并給出了研究建議。煤礦單相漏電故障區段定位可考慮與目前的防越級跳閘裝置進行一體化設計，從而實現各種類型故障的防越級跳閘。