煤礦井下低壓電網(wǎng)相敏保護算法的研究與探討

[摘 要]相敏保護是煤礦井下低壓電網(wǎng)主要的繼電保護方法之一，將動態(tài)小波變換算法應(yīng)用在相敏保護之中，既克服了模擬電子電路組成的保護器的錯誤判別，又可以實時在線監(jiān)測電網(wǎng)的負荷電流數(shù)值。采用動態(tài)小波變換主要因其既可以準確地捕捉突變信號的特征，并能在不同頻帶上考察信號特征的演化，還可以準確地檢測出平穩(wěn)的工頻信號，所以將其應(yīng)用于井下低壓電網(wǎng)負荷電流監(jiān)測，不但能準確地捕捉到電網(wǎng)負荷電流發(fā)生的異常突變，還可以精準地計算正常運行情況下的負荷電流，使相敏保護的裝置做出更加快速、準確的動作，仿真結(jié)果驗證了該算法的有效性。

[關(guān)鍵詞]井下低壓電網(wǎng);動態(tài)小波算法;負荷電流

[中圖分類號]TM771 [文獻標(biāo)識碼]A

在綜采工作面上，需要用到大量的電動機設(shè)備，而在電動機設(shè)備中需要大容量的電動機進行工作。當(dāng)大容量的電動機在啟動時，其啟動電流的數(shù)值較大，很容易跟電網(wǎng)發(fā)生短路故障時的故障電流相混淆，使得繼電保護裝置發(fā)生誤動作，因此井下低壓電網(wǎng)的短路保護常采用鑒幅式繼電保護進行故障排除。但傳統(tǒng)的鑒幅式繼電保護或電子保護的整定誤差大，動作時間長，可靠性低，還容易造成保護的誤動作。

目前，在煤礦井下低壓電網(wǎng)的相敏保護中，常利用單片機或PLC做控制保護裝置，以克服模擬電子電路組成的保護器的錯誤判別，但無論利用單片機還是PLC做保護控制裝置，都需要選擇合適的算法進行電流和功率因數(shù)的計算。本文在分析相敏保護原理的基礎(chǔ)上，提出了采用基于動態(tài)小波變換的相敏保護算法，并探討了該算法的可靠性和準確性。

1 相敏保護原理

煤礦井下供電系統(tǒng)中的負載均為感性負載，供電線路及設(shè)備在短路或斷相狀態(tài)下電流和電壓的相位與正常工作狀態(tài)下相比較，是會發(fā)生一定的變化。在故障狀態(tài)下，總有一相或幾相電流的相位和電壓的相位差趨于零或超前。而在電動機啟動時，電流相位總是滯后電壓，且比正常運行時相位差增大，利用此特點即可區(qū)分出供電線路中的電流是故障電流，還是電動機的啟動電流，這就是相敏保護的基本工作原理。同時，電動機在啟動時電流雖然較大，但功率因數(shù)比較低，通常在0.35～0.45左右。當(dāng)煤礦井下供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，功率因數(shù)則在0.9以上，與正常工作時相比則很大。

根據(jù)相敏保護的一般保護特性曲線，將鑒幅值、鑒相值分別與常數(shù)C1、C2相乘后再進行邏輯或，即：

根據(jù)（1）式選擇不同的常數(shù)C1、C2，可得到不同的臨界動作曲線。根據(jù)電網(wǎng)負荷大小選擇不同的Cl、C2，可得到不同的動作區(qū)，這樣可取得最佳的保護效果。它不但有較寬的動作界限選擇余地，還有較高的動作靈敏度和可靠性，文中常數(shù)Cl、C2分別選擇1.1和0.9。

通過上述介紹的相敏保護的工作原理，可以看出在選擇恰當(dāng)?shù)某?shù)Cl、C2之后，實時在線檢測并計算出電流和功率因數(shù)的大小就可以準確、迅速地鑒別出是井下電網(wǎng)發(fā)生了短路故障，還是電機啟動時造成的大電流。

2 利用動態(tài)小波變換實時在線檢測電網(wǎng)電流突變值

煤礦井下輸電、供電設(shè)備的電纜容易發(fā)生絕緣老化而損壞，設(shè)備電纜受機械損傷同樣會使絕緣損壞，還有內(nèi)部過電壓使電氣設(shè)備的絕緣擊穿和運行操作人員的誤操作，以及在井下潮濕惡劣條件下絕緣強度不夠等，都容易造成井下電網(wǎng)發(fā)生短路故障。此外，巷道發(fā)生變形、垮塌等會拉伸電纜，使導(dǎo)線受外力沖擊或擠壓而發(fā)生斷線，也會造成短路故障。在短路故障發(fā)生時，會產(chǎn)生較大的故障電流，同樣在井下作業(yè)的大容量電機在啟動的瞬間也會產(chǎn)生較大的啟動電流。因此保護的主要任務(wù)就是井下電網(wǎng)產(chǎn)生大電流時，區(qū)分出此大電流屬于短路故障電流，還是電機的啟動電流，從而進行故障保護動作。依據(jù)動態(tài)小波變換的定義，本文取n=2，α1=α，α2=1-α，所構(gòu)成的函數(shù)為：

根據(jù)煤礦井下電力系統(tǒng)的運行情況分析，選取ψ1（t）為傅里葉正弦變換函數(shù)sin（2πf1t）， ψ2（t）為db6小波，其中

α1=0.02，α2=0.98， C1=1.1， C2=0.9

f1為工頻50 Hz， 采樣頻率為1600 Hz，用ψ（t）對故障電壓波形進行6尺度下的分解分析。

本文選取1140V井下低壓電網(wǎng)作為研究對象，利用動態(tài)小波變換的方法實時在線提取線路中的電流的突變值。

在上表的仿真分析中，為了簡化仿真計算，假設(shè)煤礦井下供電系統(tǒng)是三相對稱的負載，所以只考慮單相短路故障和單相接地短路故障。將供電系統(tǒng)中的某一相作為短路故障相（可假設(shè)為A相），通過Matlab仿真測試后，故障相的故障電流模極值為表1中的數(shù)值。通過表1可以清楚地看出，在Matlab仿真計算中分別設(shè)置整定電流為350A和220A，而最大短路電流設(shè)置為4200A的前提下，實際測試的故障相電流模極值的最大值和最小值的比值倍數(shù)能達到1.2左右，因此通過實時在線觀測數(shù)據(jù)，就可以觀測到電網(wǎng)負荷大電流的放大倍數(shù)是否增大，這樣可以一目了然地發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)負荷中是否出現(xiàn)了短路故障造成的大電流（電動機在啟動時造成的啟動電流為正常工作電流，其諧波頻率中沒有高次諧波，因此不會產(chǎn)生啟動電流的模極值），從而判斷出電網(wǎng)中的大電流是短路故障造成的故障電流，還是大容量電動機啟動時造成的啟動電流。為了加強繼電保護裝置的準確性，還可以實時在線監(jiān)測線路中的功率因數(shù)，功率因數(shù)則可以通過可變電感和電阻來調(diào)節(jié)，且根據(jù)以往測試數(shù)據(jù)了解到，電動機啟動時的功率因數(shù)一般在0.35～0.45左右，而短路時的功率因數(shù)則在0.9以上。所以相敏保護就可以可得到不同的臨界動作曲線，這樣可取得最佳的保護效果，從而獲得較高的動作靈敏度和可靠性。

3 結(jié)論

本文針對煤礦井下低壓電網(wǎng)的相敏保護的工作原理，探討了采用動態(tài)小波變換算法來提取線路上實時電流的模極值，通過模極值的最大值和最小值的倍數(shù)比值可準確的計算出電網(wǎng)上是否產(chǎn)生了短路故障的大電流，及產(chǎn)生的大電流與線路正常運行時電流的比值。通過Matlab的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果證明，利用動態(tài)小波變換提取的故障電流模極值的算法，能實時在線監(jiān)測煤礦井下低壓電網(wǎng)的負荷電流情況，測試數(shù)據(jù)準確、可靠，可提高相敏保護的動作靈敏度和可靠性。

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