基于一模分量的礦井高壓電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法

趙建文， 陳佳麗

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引言

對于礦井高壓供電系統(tǒng)，《煤礦安全規(guī)程》第443條規(guī)定地面供電變壓器、發(fā)電機(jī)及井下配電變壓器的中性點嚴(yán)禁直接接地。因此，礦井高壓電網(wǎng)主要采用中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)[1-2]。單相接地故障作為礦井高壓電網(wǎng)的多發(fā)性故障類型，其故障電流會受到消弧線圈對容性電流的補(bǔ)償作用而減小，使得故障難以檢測與識別，無法迅速切除，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣擊穿事故擴(kuò)大，影響供電可靠性[3]。因此，根據(jù)單相接地故障特征快速識別故障區(qū)段，對于礦井高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

近年來，配電網(wǎng)故障區(qū)段定位技術(shù)取得了很大發(fā)展[4]，但鮮有涉及礦井高壓電網(wǎng)故障區(qū)段定位技術(shù)的研究[5]。礦井高壓電網(wǎng)作為配電網(wǎng)的一部分，采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)故障區(qū)段定位具有可能性[6]。根據(jù)故障特征量不同，現(xiàn)有配電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法可分為穩(wěn)態(tài)法、暫態(tài)法2種[7]。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)法(如零序功率方向法[8]、區(qū)段零序?qū)Ъ{法[9]、零序電流增量法[10]等)在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，特別是在過補(bǔ)償情況下存在定位死區(qū)[11]。暫態(tài)法通常根據(jù)不同的相模變換方法(如Karrenbauer變換[12]、Clark變換[13]等)對故障發(fā)生后系統(tǒng)的三相電流進(jìn)行處理[14]，目前效果較好且理論研究最為廣泛的是瞬時對稱分量法[15]。利用該方法可得到零序電流的暫態(tài)量，從而構(gòu)建故障判據(jù)[16]，確定故障區(qū)段定位方法[17]，但在實際應(yīng)用中需配合相應(yīng)的選相裝置[18]，且變換得到的暫態(tài)量會隨著時間衰減，造成故障特征辨識不可靠[19]。

本文提出一種基于一模分量的礦井高壓電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法。對故障附加狀態(tài)下經(jīng)Clark變換得到的一模分量簡化模型進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明故障點上游的電流一模分量遠(yuǎn)大于故障點下游，且該特征不受消弧線圈補(bǔ)償度和負(fù)荷電流的影響。根據(jù)該特征構(gòu)建了故障區(qū)段定位判據(jù)，同時確定了故障區(qū)段定位方法。該方法原理簡單，無需選相且易于工程實現(xiàn)。仿真及實驗結(jié)果表明該方法在不同故障條件下均可實現(xiàn)對故障區(qū)段的準(zhǔn)確定位。

1 理論分析

1.1 模量選取

在不同的單相接地故障邊界條件下，經(jīng)Clark變換后的零模量在諧振接地系統(tǒng)中易受消弧線圈影響，電流一模量和二模量見表1，其中ia,ib,ic為故障點三相電流[20]。可看出二模量在b相發(fā)生單相接地故障時失效，而一模量能反映所有的單相接地故障類型。因此，選擇經(jīng)Clark變換后的電流一模量為對象，研究礦井高壓電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法。

表1 單相接地故障下電流一模量和二模量Table 1 One-mode component and two-mode component of current under single-phase grounding fault

1.2 故障一模分量特征分析

故障附加狀態(tài)下的電氣量能夠反映線路的故障狀態(tài)，且不受系統(tǒng)負(fù)荷電流的影響，因此選擇故障附加狀態(tài)下的一模量(定義為故障一模分量)為特征進(jìn)行分析[21]。

由于礦井高壓電網(wǎng)地處潮濕環(huán)境，線路較短且大多采用電纜線路，所以線路電阻和電抗較小，對地電容效應(yīng)不可忽略。系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，暫態(tài)高頻分量迅速衰減為零，等值電路呈現(xiàn)容性。為便于工程分析，僅考慮線路對地電容，以a相發(fā)生單相接地故障為例，根據(jù)疊加定理建立礦井高壓電網(wǎng)單相接地故障附加狀態(tài)模型，如圖1所示。其中UN為中性點對地電壓；L為消弧線圈(補(bǔ)償電感)；Pk(k=1,2,3,4)為電流監(jiān)測點；C11，C12，C13，C14分別為區(qū)段P1-P2、區(qū)段P2-P3、P3至負(fù)荷側(cè)、P4至負(fù)荷側(cè)的對地電容；C2為饋線2對地電容；ufa,ufb,ufc為故障點三相對地電壓；ifa,ifb,ifc為故障點三相對地電流。定義故障點至母線的線路、母線、消弧線圈及其他健康饋線為故障點上游，故障點至負(fù)荷側(cè)線路及故障饋線的無故障分支為故障點下游。

圖1 礦井高壓電網(wǎng)單相接地故障附加狀態(tài)模型Fig.1 Additional state model of single-phase grounding fault of mine high-voltage power network

對上述模型中各部分進(jìn)行Clark變換。

(1)

(2)

同理分別對b，c相發(fā)生單相接地故障后的系統(tǒng)進(jìn)行Clark變換，可得中性點b，c相仍對地短路，對應(yīng)的故障點電流一模分量分別為(1/3)If,(1/6)If。

(3)

考慮到一模分量等效模型中故障點下游電流一模分量為零，可對圖2(a)簡化，如圖2(b)所示，其中虛線箭頭方向即故障電流流向。

(a) 一模分量等效模型

由此得出故障附加狀態(tài)下故障點上下游電流一模分量特征：① 故障點上下游電流一模分量幅值存在顯著差異，為礦井高壓電網(wǎng)故障區(qū)段定位提供了理論依據(jù)。② 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在一模分量簡化模型中相當(dāng)于對地短路，避免了消弧線圈產(chǎn)生的電感電流對電流一模分量的影響。③ a，b，c任一相發(fā)生單相接地故障時都具有特征①，②，只存在模分量幅值差異，因此在進(jìn)行故障定位前無需選相。

2 基于一模分量的故障區(qū)段定位方法

2.1 故障區(qū)段定位判據(jù)

礦井高壓電網(wǎng)是輻射性多段多分支結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)，以圖3所示的簡單配電饋線多分支網(wǎng)絡(luò)為例，定義開關(guān)設(shè)備為節(jié)點1—7，①和②為分支節(jié)點[22]。

(1) 假設(shè)故障發(fā)生在區(qū)段5—6，則電流一模分量沿路徑1—2—4—5流入并與中性點形成電流回路。上游節(jié)點為1，2，4，5，下游節(jié)點為3，6，7。對于分支節(jié)點①，此時相鄰節(jié)點2，4的電流一模分量大小相等，而節(jié)點2 的電流一模分量遠(yuǎn)大于節(jié)點3；對于分支節(jié)點②，相鄰節(jié)點4，5的電流一模分量大小相等，節(jié)點4的電流一模分量遠(yuǎn)大于節(jié)點7。根據(jù)故障路徑上電流一模分量大小相等且不為零確定故障路徑為1—2—4—5—6。而在故障路徑上，根據(jù)節(jié)點5的電流一模分量遠(yuǎn)大于節(jié)點6，確定故障區(qū)段為5—6。

圖3 配電饋線多分支網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Distribution feeder multi-branch network

(2) 假設(shè)故障發(fā)生在區(qū)段2—3或2—4，由于該區(qū)段包含分支節(jié)點①，節(jié)點3，4都屬于負(fù)荷側(cè)線路，即處于故障點下游，所以區(qū)段2—3，2—4兩側(cè)的電流一模分量幅值差值相等，且在任一路徑中差值都是最大的。

由此可得故障定位判據(jù)：在分支節(jié)點處確定故障路徑，分支節(jié)點處不同方向的2個節(jié)點故障一模分量幅值差值相等時，可任選一條路徑作為故障路徑，不相等時選擇差值最小的方向為故障路徑。故障路徑確定后，故障路徑上相鄰節(jié)點故障一模分量幅值差值最大的為故障區(qū)段。

2.2 故障區(qū)段定位流程

按照上述故障區(qū)段定位判據(jù)實現(xiàn)中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障區(qū)段定位：根據(jù)變壓器二次側(cè)的零序電壓是否越限及三相電壓之間的關(guān)系確定是否發(fā)生單相接地故障，若是則利用故障一模分量幅值比較方法確定故障饋線。將故障饋線在發(fā)生故障前后的三相電流通過饋線終端設(shè)備上傳至主站，此時啟動故障區(qū)段定位程序即可確定故障區(qū)段。故障區(qū)段定位流程如圖4所示。

3 仿真驗證

3.1 仿真及結(jié)果分析

通過Matlab/Simulink模塊搭建10 kV礦井高壓電網(wǎng)仿真模型，如圖5所示。該網(wǎng)絡(luò)為典型的單電源輻射式結(jié)構(gòu)，1—8為各區(qū)段對應(yīng)的分?jǐn)嚅_關(guān)，1和8對應(yīng)的饋線開關(guān)所在線路為電纜線路，其余線路為架空線路[23]。線路參數(shù)見表2。將K點閉合即為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。模型采用過補(bǔ)償10%的運行方式。

圖4 故障區(qū)段定位流程Fig.4 Flow of fault section location

圖5 礦井高壓電網(wǎng)仿真模型Fig.5 Simulation model of mine high-voltage power network

表2 線路參數(shù)Table 2 Line parameters

設(shè)區(qū)段3—4發(fā)生a相單相接地故障，故障接地電阻Rf=500 Ω，故障角α=60°。故障點上下游節(jié)點在故障附加狀態(tài)下電流一模分量波形如圖6所示?？梢姽收宵c上游節(jié)點的電流一模分量幅值明顯大于下游節(jié)點，雖在故障瞬間故障點下游會產(chǎn)生較大的沖擊電流，但其幅值仍小于故障點上游節(jié)點。

(a) 上游節(jié)點

(b) 下游節(jié)點

定義ΔIm,n為區(qū)段m-n(m，n=1,2，…，8，且m≠n)兩側(cè)的電流一模分量幅值差值。在2個分支節(jié)點處，ΔI1,2<ΔI1,6，ΔI2,3<ΔI2,5，因此確定故障路徑為1-2-3-4，故障區(qū)段定位向量M=[ΔI1,2ΔI2,3ΔI3,4]=[0 0 0.254]，ΔI3,4最大，由此確定故障區(qū)段為3-4。

3.2 方法適應(yīng)性及特征正確性分析

3.2.1 不同故障條件下方法適應(yīng)性分析

根據(jù)故障位置、故障初始角、故障接地電阻不同，對三相分別發(fā)生單相接地故障時的情況進(jìn)行仿真，結(jié)果見表3—表5?？煽闯鲈诓煌墓收蠗l件下，礦井高壓電網(wǎng)任一相發(fā)生單相接地故障時，故障區(qū)段兩側(cè)的電流一模分量幅值差值均明顯大于非故障區(qū)段，即使在高阻情況下該特征依然存在。這表明本文方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的故障區(qū)段定位，而且進(jìn)行故障定位前無需選相。

表3 不同故障位置下故障區(qū)段定位結(jié)果(Rf=500 Ω，α=60°，過補(bǔ)償10%)Table 3 Fault section location results under different fault positions(Rf=500 Ω, α=60°, over compensation of 10%)

表4 不同故障初始角下故障區(qū)段定位結(jié)果(Rf=500 Ω，過補(bǔ)償10%)Table 4 Fault section location results under different fault initial angles(Rf=500 Ω, over compensation of 10%)

表5 不同接地電阻下故障區(qū)段定位結(jié)果(α=60°，過補(bǔ)償10%)Table 5 Fault section location results under different grounding resistances(α=60°, over compensation of 10%)

3.2.2 系統(tǒng)運行方式對定位結(jié)果的影響分析

為了驗證本文方法在分析部分故障特征量時不受消弧線圈補(bǔ)償度的影響，設(shè)置區(qū)段3-4發(fā)生單相接地故障，對不同運行方式下的故障區(qū)段定位進(jìn)行仿真，結(jié)果見表6?？煽闯鲈诓煌a(bǔ)償度條件下，a，b，c任一相發(fā)生單相接地故障時，故障區(qū)段兩側(cè)電流一模分量幅值差值均明顯大于非故障區(qū)段，表明故障特征不隨系統(tǒng)運行方式而改變，且在任一相發(fā)生單相接地故障時始終存在，驗證了本文方法不受消弧線圈補(bǔ)償度及單相接地故障相的影響，可實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障區(qū)段定位。

表6 不同運行方式下故障區(qū)段定位結(jié)果(Rf=500 Ω，α=60°)Table 6 Fault section location results under different operation modes(Rf=500 Ω, α=60°)

4 實驗驗證

為了進(jìn)一步驗證本文方法，采用380 V礦井低壓電網(wǎng)模擬實驗平臺(圖7)進(jìn)行實驗，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D8所示。設(shè)置系統(tǒng)運行方式為過補(bǔ)償10%，限于實驗條件，故障初始角隨機(jī)，故障發(fā)生在電流監(jiān)測點5和6之間。

圖7 380 V礦井低壓電網(wǎng)模擬實驗平臺 Fig.7 Simulation experimental platform of 380 V mine low-voltage power network

圖8 故障區(qū)段定位實驗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.8 Network topology for fault section location experiment

a相發(fā)生單相接地故障且接地電阻Rf=500 Ω時，故障點上下游監(jiān)測點的電流一模分量波形如圖9所示。可看出實驗與仿真結(jié)果相同，故障點上游電流一模分量幅值明顯大于故障點下游。實驗結(jié)果見表7，可看出a，b，c任一相發(fā)生單相接地故障時都具有同一故障特征，即不同分支故障路徑的分支向量最小，故障路徑上故障區(qū)段的定位向量最大。

(a) 故障點上游

(b) 故障點下游

表7 故障區(qū)段定位實驗結(jié)果Table 7 Experimental results of fault section location

5 結(jié)論

(1) 為保證礦井高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，提出一種無需選相、基于故障一模分量的礦井高壓電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法。

(2) 該方法利用故障附加狀態(tài)下故障點上下游電流一模分量幅值差異性實現(xiàn)故障區(qū)段定位，具有特征顯著、不隨時間衰減、不受消弧線圈補(bǔ)償度及負(fù)荷電流影響的優(yōu)勢。

(3) 仿真和實驗結(jié)果表明，該方法對于礦井高壓電網(wǎng)任一相發(fā)生的單相接地故障均能實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位，不受故障初始角、故障接地電阻、故障位置和系統(tǒng)運行方式的影響，且算法簡單，無需設(shè)置閾值，易于工程實現(xiàn)。