適用于礦山電網(wǎng)的單相接地故障選線新方法

王清亮,趙東強(qiáng),邵磊，李忠

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

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適用于礦山電網(wǎng)的單相接地故障選線新方法

王清亮,趙東強(qiáng),邵磊，李忠

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

針對(duì)現(xiàn)有礦山電網(wǎng)故障選線方法信號(hào)檢測(cè)靈敏度低、受中性點(diǎn)運(yùn)行方式及接地點(diǎn)電弧的影響大等問題，分析了單相接地故障的序電流及諧波電流特性，根據(jù)基波負(fù)序電流主要經(jīng)接地線路首端流向系統(tǒng)、非接地線路首端無基波負(fù)序電流流過等結(jié)論，提出了一種以基波負(fù)序電流為主判據(jù)、諧波總電流為輔助判據(jù)的單相接地故障選線新方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了可靠性分析及仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)故障選線方法相比，該方法受中性點(diǎn)運(yùn)行方式、故障類型等因素的影響小，具有更好的可靠性和自適應(yīng)性。

礦山電網(wǎng)；故障選線；單相接地故障；負(fù)序電流；諧波電流

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1011.013.html

0　引言

與公用配電網(wǎng)相比，礦山電網(wǎng)具有如下特點(diǎn)：① 礦山多屬高危險(xiǎn)場(chǎng)所，發(fā)生單相接地后要求立即斷電，而公用配電網(wǎng)則允許單相接地后繼續(xù)運(yùn)行；② 單相接地多伴有弧光；③ 電流波形畸變較為嚴(yán)重；④ 礦井電氣設(shè)備屬防爆型設(shè)備，不允許拆開外殼接線，選線裝置無法獲取同一條母線上所有饋線的零序電流。這些特性使得礦山電網(wǎng)故障選線方法與公用電網(wǎng)故障選線方法有較大差異。

現(xiàn)有的故障選線原理通過比較同一條母線上所有饋線的零序電流辨識(shí)接地線路[1-6]，選線方法分為暫態(tài)量選線方法和穩(wěn)態(tài)量選線方法，實(shí)際應(yīng)用中主要采用穩(wěn)態(tài)量選線方法。穩(wěn)態(tài)量選線方法主要包括基波零序分量法[2]、零序有功電流法和5次諧波分量法[3,5]，應(yīng)用中存在的缺陷：① 信號(hào)幅值小，場(chǎng)干擾大，信號(hào)檢測(cè)靈敏度低；② 基波零序分量法受中性點(diǎn)運(yùn)行方式及接地點(diǎn)電弧的影響大。

針對(duì)以上問題，本文深入分析礦山電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的序電流特性，根據(jù)礦山電網(wǎng)諧波量較大的特點(diǎn)，提出了一種基于基波負(fù)序電流和諧波總電流的單相接地故障選線方法。該方法可有效改善現(xiàn)有故障選線方法的不足，有良好的自適應(yīng)性和可靠性。

1　故障特性分析

1.1基波負(fù)序電流分布特性

圖1　基波負(fù)序電流分布

由圖1可知

(1)

(2)

負(fù)載負(fù)序阻抗較大，是線路負(fù)序阻抗和系統(tǒng)負(fù)序阻抗的近百倍[7]?；ㄘ?fù)序電流的關(guān)系：

(3)

(4)

發(fā)生單相接地故障時(shí)，基波負(fù)序電流在礦山電網(wǎng)中的分布規(guī)律：① 基波負(fù)序電流經(jīng)單相接地線路流向系統(tǒng)側(cè)；② 在單相接地線路首端流過較大的基波負(fù)序電流，非接地線路首端無基波負(fù)序電流流過。

1.2基波零序電流分布特性

圖2　基波零序電流分布

由圖2可知

(5)

系統(tǒng)零序阻抗遠(yuǎn)大于饋電線路的零序阻抗，因此有

(6)

(7)

基波零序電流在礦山電網(wǎng)中的分布規(guī)律：① 基波零序電流不流經(jīng)系統(tǒng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)，主要經(jīng)單相接地線路首端流向所有非接地線路，單相接地線路上的基波零序電流值最大；② 非接地線路首端流過基波零序電流；③ 基波零序電流受接地點(diǎn)阻抗、中性點(diǎn)運(yùn)行方式和消弧線圈參數(shù)的影響大。

1.3序電流特性仿真

以3回饋線的10 kV供電系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真。系統(tǒng)阻抗為(0.25+j0.9)Ω，消弧線圈過補(bǔ)償度為7%，3回饋線的長(zhǎng)度分別為2，3，5 km，線路正序阻抗、零序阻抗分別為(0.17+j0.38) Ω/km，(0.23+j1.72) Ω/km，對(duì)地零序容納為1.884 μS/km，第3條饋線的負(fù)載不對(duì)稱。

當(dāng)消弧線圈退出運(yùn)行時(shí)，各線路的基波負(fù)序電流和基波零序電流波形如圖3所示。由于線路的零序阻抗比線路的負(fù)序阻抗大，所以在接地線路首端處的基波負(fù)序電流略大于基波零序電流，如圖3(a)所示；非接地線路首端處的基波負(fù)序電流很小，而基波零序電流遠(yuǎn)大于基波負(fù)序電流，如圖3(b)、圖3(c)所示。仿真的基波序電流規(guī)律與理論分析一致。

(a) 接地線路

(b) 非接地線路1

(c) 非接地線路2

當(dāng)消弧線圈投入運(yùn)行時(shí)，仿真波形如圖4所示。由于非接地線路上的基波序電流與沒有接入消弧線圈時(shí)的變化規(guī)律相同，圖4中只給出接地線路的序電流波形。由于消弧線圈的影響，接地線路首端基波零序電流迅速減小，且方向發(fā)生變化，而基波負(fù)序電流幾乎沒有變化，驗(yàn)證了基波負(fù)序電流不受中性點(diǎn)運(yùn)行方式影響的結(jié)論。

圖4　中性點(diǎn)接有消弧線圈時(shí)接地線路的序電流

2　諧波電流特性

礦山電網(wǎng)中有大量非線性電氣設(shè)備，使得饋電線路中諧波含量較為可觀；實(shí)際運(yùn)行中，純阻性接地故障發(fā)生率較低，單相接地往往伴有弧光，導(dǎo)致故障電流中含有大量諧波。筆者近年來對(duì)10個(gè)礦山電網(wǎng)進(jìn)行了諧波測(cè)試，結(jié)果表明多數(shù)饋線的電流畸變率波動(dòng)范圍為4%～10%，下井饋線、通風(fēng)饋線及提升饋線的電流畸變率更高，甚至達(dá)20%～30%。

消弧線圈的參數(shù)是根據(jù)基波計(jì)算的，對(duì)各次諧波不具有補(bǔ)償作用,因此，發(fā)生單相接地故障時(shí)，諧波的變化規(guī)律不受消弧線圈的影響，其特性與中性點(diǎn)不接地方式下基波零序電流的規(guī)律類似。

3　單相接地故障選線新方法

本文提出一種以線路基波負(fù)序電流為主判據(jù)、諧波電流為輔助判據(jù)的單相接地故障選線新方法，選線原理如下。

(1) 選線主判據(jù)。當(dāng)基波負(fù)序電流最大，且該線路基波負(fù)序電流遠(yuǎn)大于其他饋線基波負(fù)序電流時(shí)，判斷該線路發(fā)生單相接地故障，即

(8)

(9)

(2) 輔助判據(jù)?；ㄘ?fù)序電流不受中性點(diǎn)運(yùn)行方式、饋線參數(shù)不平衡的影響。但消弧線圈會(huì)減小基波負(fù)序電流，影響選線靈敏性。為消除消弧線圈及低壓側(cè)負(fù)荷不對(duì)稱引起的選線誤判，選用諧波電流作為輔助判據(jù)。接地線路的綜合諧波電流為

(10)

4　可靠性分析

4.1性能分析

發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，電網(wǎng)零序電壓會(huì)大幅升高，與單相接地故障非常相似，易導(dǎo)致選線裝置誤動(dòng)作。鐵磁諧振發(fā)生在線路對(duì)地分布電容和系統(tǒng)對(duì)地電感之間，這是一個(gè)零序回路，而負(fù)序電流不流經(jīng)該回路；原西北電力試驗(yàn)研究所對(duì)10 kV電網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，得出系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的諧振主要為分頻諧振和基頻諧振[6]，諧波電流特性不受系統(tǒng)諧振的影響。因此，采用基波負(fù)序電流與諧波總電流作為選線特征參數(shù)能有效提高故障選線的可靠性，避免誤判。

基波負(fù)序電流的流通回路不包含線路分布電容、消弧線圈，其分布規(guī)律不受配電網(wǎng)中性運(yùn)行方式、線路參數(shù)不平衡的影響；礦山電網(wǎng)中性點(diǎn)均采用非有效接地方式，負(fù)序回路的振蕩衰減時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于零序回路的時(shí)間常數(shù)。因此，基波負(fù)序電流受電弧的影響較基波零序電流小，有良好的抗弧光能力。

在單相接地線路上，基波負(fù)序電流與基波零序電流在數(shù)值上相差不大，而在非接地線路上無基波

負(fù)序電流流過，本文通過分析基波負(fù)序電流信號(hào)的有無來辨識(shí)單相接地線路，相對(duì)于比較各線路基波零序電流的方法具有更好的靈敏性。

4.2仿真計(jì)算與分析

以母線接有5條饋線的10 kV供電系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真,饋線長(zhǎng)度分別為0.5,2,3,1,5 km,線路參數(shù)與1.3節(jié)中模型相同。第1條和第4條饋線的負(fù)載不對(duì)稱。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中，鐵磁諧振及弧光的發(fā)生概率較低，因此，仿真中的弧光和諧振算例只在中性點(diǎn)不接地方式下設(shè)置。仿真計(jì)算結(jié)果見表1，其中I表示中性點(diǎn)不接地，II表示中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。由表1可知，接地線路首端的基波負(fù)序電流遠(yuǎn)大于非接地線路的基波負(fù)序電流，基波負(fù)序電流分布系數(shù)k均大于0.98，接地線路的綜合諧波電流最大。

表1　單相接地故障選線新方法仿真計(jì)算結(jié)果

表2　傳統(tǒng)方法仿真計(jì)算結(jié)果

5　結(jié)語

基于基波負(fù)序電流和諧波總電流的單相接地故障選線方法以基波負(fù)序電流為選線主判據(jù)，諧波電流為輔助判據(jù)。與現(xiàn)有故障選線方法相比，該方法受中性點(diǎn)運(yùn)行方式、故障類型等因素的影響小，可直接應(yīng)用于礦山地面變電所。該方法應(yīng)用于礦井變電所時(shí)，可只采用基波負(fù)序電流作為選線判據(jù)。由于基波負(fù)序電流只流過接地線路首端，不需要獲取和綜合比較所有線路的故障信息，非常適合應(yīng)用在礦井、化工、石油等具有易燃性物質(zhì)的企業(yè)電網(wǎng)中。

[1]任志玲，張媛媛.基于改進(jìn)的HHT變換和信心度的配電網(wǎng)故障選線[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(10)：8-13.

[2]馬春艷，龔瑛.煤礦諧振接地故障模糊綜合選線方法[J].工礦自動(dòng)化，2015，41(11)：81-84.

[3]張?chǎng)危昌埲A.基于信息融合的礦山電網(wǎng)復(fù)合保護(hù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(11)：1947-1952.

[4]王曉衛(wèi)，高杰，魏向，等.基于小波包貝葉斯的小電流接地系統(tǒng)故障選線方法[J].工礦自動(dòng)化，2014，40(6)：54-58.

[5]莊偉，牟龍華.基于零序電流有功分量的配電網(wǎng)接地故障定位[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42(3)：468-473.

[6]李琦.電力系統(tǒng)電氣故障和異?，F(xiàn)象分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[7]曾祥君，尹項(xiàng)根，張哲，等.配電網(wǎng)接地故障負(fù)序電流分布及接地保護(hù)原理研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(6)：84-89.

A novel line selection method of single phase grounding fault suitable for coal mine power network

WANG Qingliang,ZHAO Dongqiang,SHAO Lei,LI Zhong

(School of Electrical and Control Engineering,Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China)

For problems that existing fault line selection methods for coal mine power network had low detecting sensitivity and were easily influenced by neutral point operation mode and electric arc at grounding point,characteristics of sequence current and harmonic current of single phase grounding fault were analyzed,and conclusions were gotten including that the fundamental negative sequence current was allotted to distribution system from grounding line head,and no fundamental negative sequence current flowed through health line head.According above conclusions,a novel line selection method of single phase grounding fault was proposed which took fundamental negative sequence current as the first criteria and harmonic current as the second criteria,and reliability analysis and simulation calculation about the method were taken out.The simulation results show that there is little influence on the method by neutral point operation mode and fault type,and the method has better reliability and adaptability compared with traditional methods.

coal mine power network; fault line selection; single phase grounding fault; negative sequence current; harmonic current

1671-251X(2016)10-0040-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.009

王清亮,趙東強(qiáng),邵磊,等.適用于礦山電網(wǎng)的單相接地故障選線新方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：40-44.

2016-05-24；

2016-08-19；責(zé)任編輯：李明。

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015JM5211)；陜西省教育廳科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013JK1007)。

王清亮(1969-)，女，山西永濟(jì)人，教授，博士，長(zhǎng)期從事煤礦電氣安全方面的研究工作，E-mail:wangxjql@163.com。

TD60

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 10:11