基于暫態信號的接地選線方案在煤礦保護裝置的應用研究

陸 帥，李 峰，卞林林，隋翔龍

(南京磐能電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000)

目前，我國煤礦井下6 kV供電網一般為小電流接地系統，受礦井工作環境惡劣、瓦斯粉塵積聚、滴水潮濕等因素影響，井下輸電線路和其他一次電氣設備易發生單相接地故障。單相接地故障時，非故障相電壓的升高可能導致絕緣破壞，進而引起相間短路。同時，單相接地故障會產生電弧或釋放火花，引起瓦斯、煤塵爆炸，給煤礦安全生產帶來極大隱患。因此，為確保井下作業安全，井下供電網發生單相接地故障時應盡快進行故障定位、隔離。

受空間不足、安全防護要求等多方面因素影響，煤礦井下6 kV供電網不宜配置專用的小電流接地選線裝置，研究配置高性能小電流接地選線功能的井下線路保護裝置對確保井下工作人員的人身安全和礦井的安全生產具有重大意義。

1 小電流接地選線原理簡介

小電流接地選線按其工作原理可分為基于穩態信號的選線原理、基于暫態信號的選線原理。

1.1 基于穩態信號的選線原理

基于穩態信號的選線原理包括零序功率方向法、諧波法。

現階段，礦用保護裝置的選線功能多數基于穩態原理，煤礦井下配電網一般采用中性點經消弧線圈的接地方式，且是過補償狀態，受消弧線圈補償的影響，基于穩態信號的選線原理在實際使用中選線效果不理想。

1.2 基于暫態信號的選線原理

基于暫態信號的選線原理包括暫態能量法、小波變換法、首半波法 。

相對于基于穩態信號的選線原理，基于故障暫態信號的選線原理具有靈敏度高且不受消弧線圈影響的優勢。20世紀國內外已經開始對暫態信號的選線原理進行了研究，國內先后研發了幾代產品，受當時的技術水平影響，配置在線路保護裝置的暫態接地選線原理一直未得到廣泛的應用。近年來嵌入式技術、微電子技術的發展，為暫態信號小電流接地選線技術在線路保護裝置的應用創造了條件。

2 暫態首半波能量選線原理

2.1 啟動繼電器

暫態首半波能量法需要確定故障起始點，利用故障開始半個周波的電壓、電流進行選線判斷。采用零序電壓、零序電流突變量原理，快速確認故障起始點、識別故障。

零序電壓突變量啟動判據：

Δu0(t)>u0set+k1Δu0T

(1)

零序電流突變量啟動判據

Δi0(t)>I0set+k1Δi0T

(2)

其中：

u0set、i0set分別為零序電壓突變定值、零序電流突變定值；

Δi0(t)為電流突變量，Δi0(t)=||i0(t)-i0(t-T)|-|i0(t-T)-i0(t-2T)||；

Δu0(t)為電壓突變量，Δu0(t)=||u0(t)-u0(t-T)|-|u0(t-T)-u0(t-2T)||；

Δi0T為零序電流突變量浮動門檻，取上一個周波的零序電流突變量；

Δu0T為零序電壓突變量浮動門檻，取上一個周波的零序電壓突變量；

k1為浮動門檻的可靠系數，取1.25；

T為采樣同期。

零序電流突變量Δi0(t)連續M個采樣點中有N個采樣點滿足式(2)，零序電流突變量啟動元件動作。零序電壓突變量Δu0(t)連續M個采樣點中有N個采樣點滿足式(1)，零序電壓突變量啟動元件動作。任意一個突變量啟動元件動作時，則認為檢測到故障，啟動暫態首半波能量法判斷。

同時設置零序電壓突變量、零序電流突變量兩個啟動繼電器，可以保證在較大過渡電阻時有較高的靈敏性，保證接地選線的準確率。

2.2 暫態首半波能量法

2.2.1 傳統首半波法原理。故障線路零序電壓與零序電流在暫態首半波內極性相反，非故障線路、故障點下游線路極性相同(見圖1)。零序電壓與零序電流僅在暫態首半波呈反極性關系，受軟件故障識別靈敏度、采樣率等多方面影響，傳統首半波法原理的實際選線效果一直不高。

大量研究證明，在SFB(Selected Frequency Band)頻率段內，故障線路和非故障線路其阻抗呈容性，超出頻段時，阻抗特性較為復雜，不好確定。對零序電壓、零序電流進行濾波處理，保留固定頻段分量，濾波處理后故障線路零序電壓導數與零序電流極性一直相反，而非故障線路、故障點下游線路極性相同，如圖1所示。

圖1 故障線路暫態波形比較

定義參數變量qk(t)為：

qk(t)=i0(t)*du0(t)/dt

(3)

對于非故障線路qk(t)大于0，故障線路有qk(t)小于0。

對參數變量qk(t)從故障起始時刻開始進行積分，得到參數變量Eq為：

(4)

其中，T1為積分結束時刻，標準時間為T/2。

顯然，非故障線路Eq大于0，故障線路Eq小于0，為防止在保護程序計算過程中誤差引起誤判斷，因此保護判斷可定為：

Eq

(5)

其中，Ez為固定門檻值。

2.2.2 暫態首半波能量法原理。零序電壓、零序電流進行頻帶濾波處理后，故障線路零序電壓導數與零序電流在故障首半波的乘積積分小于0，而非故障線路、故障點下游線路大于0。

暫態首半波能量法接地選線保護算法如圖2所示。

圖2 暫態首半波能量法接地選線保護算法

3 試驗與驗證

將研制的11臺井下線路保護裝置安裝在晉能控股煤業集團石窯煤礦的中央變電所，變電所一次主接線如圖3所示，變電所共兩段母線，中性點經消弧線圈接地，每段母線4條出線，接地電流均在20 A以內，所有線路均為電纜線路。現場對每條線路進行相應的接地模擬實驗，共記錄到47次故障以及對應波形數據，所有線路保護裝置的動作行為全部正確。

圖3 石窯煤礦中央變電所主接線圖

對現場波形數據進行分析，Ⅰ母線路區內故障參數變量Eq如圖4所示，從圖中可以看出，區內故障Eq明顯小于0，不受消弧線圈影響。現場裝置采用3 200 Hz的采樣率，采樣精度為保護裝置標準要求精度，在不改變現有保護裝置采樣率和采樣CT配置的情況下，配置暫態首半波能量法的線路保護裝置可實現高性能的接地選線。

圖4 石窯煤礦出線參數變量Eq

4 結束語

集成基于暫態首半波能量法的小電流接地選線功能的礦用線路保護裝置可實現井下配電網間隔的接地選線功能，不受不穩定電弧和消弧線圈的影響，靈敏度高，可靠性好，不增加硬件成本，后期維護成本低，有望解決長期困擾煤礦供電部門的小電流接地選線難題。