礦山高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)技術(shù)研究

五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司 王 金

1 引言

高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)始終都是我國礦山發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。我國的礦山供電系統(tǒng)，大多采用中性點(diǎn)不接地的方式，根據(jù)先前的研究經(jīng)驗(yàn)可知：不管是在高壓環(huán)境下還是低壓環(huán)境下，出現(xiàn)問題最多的故障類型都是單相接地故障[1]。當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，更有甚者還會(huì)提前引爆電雷管，產(chǎn)生的損失將是無可估量的。因此，對(duì)礦山漏電保護(hù)技術(shù)展開研究是十分有必要的。

當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，首先想到的就是要切斷電源，這屬于“一刀切”，對(duì)于沒有發(fā)生漏電的線路來說，正常運(yùn)行的工作也要被迫停止[2]。因此，算法要求只需斷開發(fā)生故障的一條線路即可，對(duì)于沒有發(fā)生故障的線路，要保證其正常運(yùn)行，以此來維持礦山工作的正常開展。為此，本文提出礦山高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)方法[3]。首先，將礦山高壓供電系統(tǒng)線路分為故障線路和非故障線路，當(dāng)某一條線路出現(xiàn)接地漏電故障時(shí)，在不會(huì)對(duì)其他非故障線路產(chǎn)生任何影響的情況下，及時(shí)斷開該條線路的電源連接；計(jì)算供電系統(tǒng)漏電保護(hù)在正常狀態(tài)以及非正常狀態(tài)下的故障識(shí)別編碼適應(yīng)度，并比較二者的值，獲得故障識(shí)別概率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)的研究。通過搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明，利用本文方法得到的停電比例和故障識(shí)別效率均較為理想，算法具有一定的可行性。

2 礦山高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)技術(shù)

2.1 礦山高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生漏電的原因分析

礦山高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生漏電的主要原因可以概括如下：

（1）電氣設(shè)備、電纜檢查保養(yǎng)不慎，操作使用不當(dāng)造成漏電的。

（2）電纜被壓碎扎入地下；電纜過度彎曲導(dǎo)致電纜護(hù)套開裂；運(yùn)行過程中電纜呈圓形或“8”字形，導(dǎo)致電纜發(fā)熱、絕緣老化，絕緣性能下降。

（3）當(dāng)設(shè)備和電纜閑置時(shí)，會(huì)抬高維修或不定期烘干，導(dǎo)致設(shè)備和電纜受潮，絕緣降低。

（4）開關(guān)、電機(jī)等在淋浴處暴露在潮濕或水中，導(dǎo)致絕緣降低。

（5）電氣設(shè)備和電纜選擇不當(dāng)，導(dǎo)致長期過載和發(fā)熱，絕緣降低。

（6）變壓器并聯(lián)運(yùn)行，電纜線路過長，開關(guān)、電機(jī)等設(shè)備過多，降低了電網(wǎng)總絕緣水平。

（7）電纜或開關(guān)柜的運(yùn)行超過額定電壓，導(dǎo)致絕緣降低或擊穿。

（8）電纜與設(shè)備連接過程中，由于連接噴嘴的接口松動(dòng)、鐘口密封松動(dòng)、壓板松動(dòng)等原因，造成連接松動(dòng)，在運(yùn)行過程中與外殼連接，或因連接毛發(fā)過熱燒毀絕緣。

2.2 高壓供電系統(tǒng)線路分支

整個(gè)礦山高壓供電系統(tǒng)是由若干個(gè)獨(dú)立的供電單元組成，只要對(duì)其中一個(gè)單元完成漏電保護(hù)技術(shù)的研究，就可以將其應(yīng)用到其他單元，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)。這同時(shí)也說明，如果一個(gè)供電單元發(fā)生漏電故障，只要切斷它的電源線路即可，不會(huì)影響其他單元的正常作業(yè)。

在任意一個(gè)三相電路系統(tǒng)中，如果存在一條接地漏電故障線路，那么整個(gè)電路都會(huì)產(chǎn)生零序電壓和零序電流回路，二者共同作用又會(huì)產(chǎn)生零序電流。對(duì)于零序電流的檢測，本文通過零序電流互感器來實(shí)現(xiàn)。不僅如此，還可控制繼電器的更新。具體如圖1所示。

圖1 零序電流保護(hù)原理圖

從圖1中可以看出，在整個(gè)供電系統(tǒng)零序電流中，接地裝置是沒有安裝在變壓器中性點(diǎn)上的。另外，三組接地電容C 和三組接地絕緣電阻r，構(gòu)成了零序電流通路，當(dāng)其發(fā)生接地漏電故障時(shí)，在零序電流互感器LLH 一次側(cè)中流經(jīng)的電流為3倍零序電流3I0，而在二次側(cè)中流經(jīng)的則轉(zhuǎn)換為了感應(yīng)電勢，再由整流器D 的作用后，可直接對(duì)直流繼電器J 實(shí)現(xiàn)控制。

在直流繼電器J 中，在零序電流值足夠大的前提下，動(dòng)作電流的值不隨任何變化而變化，是一個(gè)固定值。換句話說，在電網(wǎng)對(duì)地電容值足夠大時(shí)，電網(wǎng)對(duì)地電容值也不會(huì)發(fā)生任何改變。這是在考慮高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)時(shí)不可忽視的重要一點(diǎn)。

同時(shí)，絕緣電阻r 對(duì)供電系統(tǒng)中零序電流值的大小也有一定的影響作用。當(dāng)r 中含有較大的電容時(shí)，零序電流值的大小由電容來決定；但是當(dāng)r 中含有較小的電流時(shí)，可對(duì)其忽略不計(jì)。所以，根據(jù)r 中電容值和電流值的大小，來決定零序電流值的大小。在此思路的基礎(chǔ)上，將高壓供電系統(tǒng)線路分為故障線路和非故障線路，實(shí)現(xiàn)選擇性斷電的目的。這樣當(dāng)某一條支路出現(xiàn)故障時(shí)，只對(duì)該支路斷電即可，不會(huì)影響非故障支路的正常工作。

2.3 高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在對(duì)高壓供電系統(tǒng)進(jìn)行漏電保護(hù)研究之前，首先要做的就是計(jì)算整個(gè)供電系統(tǒng)在發(fā)生漏電故障時(shí)的期望函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)。計(jì)算完成之后，再分析漏電保護(hù)在發(fā)生故障和未發(fā)生故障時(shí)的故障識(shí)別編碼適應(yīng)度，比較兩種狀態(tài)下的結(jié)果。經(jīng)過上述計(jì)算后，可以獲得故障識(shí)別概率結(jié)果，至此實(shí)現(xiàn)高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)。

將E(X)定義為與高壓供電系統(tǒng)故障識(shí)別編碼相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中，NA、NB、NC均表示在發(fā)生接地漏電故障的情況下，供電系統(tǒng)所執(zhí)行的動(dòng)作系數(shù)；Aj表示供電系統(tǒng)變電站IED 配置，在正常運(yùn)行下所展現(xiàn)出的實(shí)際狀態(tài)；表示計(jì)算供電系統(tǒng)變電站IED 配置，所得到的期望狀態(tài)；Bj表示在變電站IED 配置中，漏電保護(hù)對(duì)象在正常運(yùn)行狀態(tài)下展現(xiàn)出的實(shí)際狀態(tài)；表示變電站IED 配置中，漏電保護(hù)對(duì)象計(jì)算得到的期望狀態(tài)；Cj表示變電站IED 配置中，漏電保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)值；表示變電站IED 配置中，漏電保護(hù)的期望狀態(tài)值；ω 表示適應(yīng)度系數(shù)值；j 表示礦山供電網(wǎng)絡(luò)中的所有元件斷路器。

在參考了高壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主/后備繼電保護(hù)原理的一般動(dòng)作邏輯以及漏電保護(hù)的線路長度后，本文建立了高壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)期望函數(shù)：

式中，Xi表示在漏電保護(hù)對(duì)象計(jì)算得到的故障識(shí)別編碼；表示變電站IED 配置中，與互相對(duì)應(yīng)的對(duì)端保護(hù)狀態(tài)信息；Xltb表示在漏電保護(hù)對(duì)象的末端，所展現(xiàn)的具體母線編碼[4]；Sj表示漏電保護(hù)裝置在高壓供電系統(tǒng)中的具體位置信息。

經(jīng)過上述的分析計(jì)算后，可進(jìn)一步推理得到漏電保護(hù)故障識(shí)別概率，計(jì)算公式為：

式中，Esi表示漏電保護(hù)正常狀態(tài)下的故障識(shí)別編碼適應(yīng)度；Ei表示供電系統(tǒng)漏電保護(hù)經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算后，故障識(shí)別編碼適應(yīng)度結(jié)果。

通過式（3），進(jìn)一步分析得到供電系統(tǒng)漏電保護(hù)判決[5]計(jì)算公式：

式中，Kset1、Kset2、Kset3均代表定值，再向下進(jìn)行細(xì)分，Kset1表示漏電保護(hù)裝置的可靠性系數(shù)整定值；Kset2表示主漏電保護(hù)和后備漏電保護(hù)共同得到的故障識(shí)別概率整定值；Kset3表示漏電保護(hù)裝置在判斷故障時(shí)實(shí)際取得的故障識(shí)別概率整定。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際應(yīng)用中是否同樣合理有效，設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過FSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真軟件搭建，在某大型礦山供電系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)研究，選取了4000個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中包含1000個(gè)故障數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟如下所示：

（1）當(dāng)?shù)V山高壓供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算每個(gè)漏電保護(hù)裝置處的電壓值和電流值；

（2）在步驟（1）的基礎(chǔ)上加入隨機(jī)擾動(dòng)，并將漏電保護(hù)裝置處的電壓值和電流值與誤差系數(shù)做乘法計(jì)算，以此獲得供電系統(tǒng)漏電保護(hù)量測。其中，隨機(jī)擾動(dòng)服從N#(1,σ2)正態(tài)分布；

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，在高壓供電系統(tǒng)中手動(dòng)添加故障數(shù)據(jù)；

（4）引入本文技術(shù)方法，驗(yàn)證是否可以取得理想的漏電故障識(shí)別概率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先對(duì)本文方法的供電質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證。由于實(shí)驗(yàn)背景為礦山，工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣，面對(duì)的不可預(yù)測情況非常多，發(fā)生漏電故障的幾率相對(duì)來說要大一些。因此，驗(yàn)證算法的供電質(zhì)量是十分有必要的。通常情況下，因漏電而導(dǎo)致的停電比例保持在25%以下是可以接受的，本文方法取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 本文方法漏電故障停電比例結(jié)果

從圖2中可以看出，隨著供電系統(tǒng)中故障數(shù)量的逐漸增多，本文方法的漏電比例呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，漏電保護(hù)停電比例均保持在20%以下，為可接受的范圍內(nèi)。這是由于本文方法采用了線路分支的思路，將整個(gè)供電系統(tǒng)分為多個(gè)供電單元，當(dāng)某一個(gè)供電單元發(fā)生漏電故障時(shí)，只需要切斷該單元的線路即可，不影響其他線路的正常運(yùn)行。因此，取得了較低的停電比例。

接下來對(duì)本文方法的故障識(shí)別概率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)高壓供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時(shí)，只有盡可能地將所有故障數(shù)據(jù)找出來，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，才能最大程度保護(hù)用電的安全性。高壓供電系統(tǒng)故障識(shí)別概率計(jì)算公式為：

利用本文方法取得的故障識(shí)別概率如圖3所示。

圖3 本文方法故障識(shí)別概率結(jié)果

通過圖3可以很明顯地看出，隨著供電系統(tǒng)中故障數(shù)據(jù)數(shù)量的逐漸增多，利用本文方法取得的故障識(shí)別概率也在隨著增加，且整體保持在80%以上，當(dāng)故障數(shù)據(jù)數(shù)量為1000個(gè)時(shí)，故障識(shí)別概率更是達(dá)到了99.9%，由此說明本文方法可有效識(shí)別出供電系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行處理，保證整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。這是由于本文方法通過對(duì)比漏電保護(hù)在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的故障識(shí)別編碼適應(yīng)度，保證了算法具有較高的故障識(shí)別概率。

4 結(jié)語

本文考慮到礦山作業(yè)的特點(diǎn)，將整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)分為若干個(gè)供電單元，每個(gè)供電單元之間的線路互不影響，當(dāng)其中一條支路發(fā)生漏電故障時(shí)，只需要切斷該單元內(nèi)的電源線路即可，不會(huì)對(duì)其他單元產(chǎn)生影響。同時(shí)，對(duì)漏電保護(hù)故障狀態(tài)下的適應(yīng)度函數(shù)和期望函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并與正常狀態(tài)下的值進(jìn)行對(duì)比，得到故障識(shí)別概率值，完成對(duì)整個(gè)高壓供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)。