煤礦井下選擇性漏電保護(hù)分析研究

【摘要】本文分析漏電故障原理，零序電壓以及零序電流的檢測方法、故障選線方法等選擇性漏電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，給出小波分析選線方法，通過對比故障線路電流的小波系數(shù)與非故障線路的小波系數(shù)波形，可方便檢測到電流奇異點(diǎn)，準(zhǔn)確選出故障線路。

【關(guān)鍵詞】漏電保護(hù);故障選線;小波分析

1、引言

我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)發(fā)生的各種漏電故障中，80%為單相接地漏電故障[1-2]。較大的接地漏電流容易使故障擴(kuò)大成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地短路，甚至整個(gè)系統(tǒng)過電壓，致使設(shè)備損壞，危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，及時(shí)找到漏電故障線路并予以切除至關(guān)重要。我國供電系統(tǒng)常用的方式有：中性點(diǎn)直接接地的供電系統(tǒng)，中性點(diǎn)不直接接地的供電系統(tǒng)。目前在我國供電網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)是中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)。此類系統(tǒng)零序阻抗值比較大，一般比正序阻抗值高4倍之多，因此一旦發(fā)生某一相接地短路故障時(shí)，流經(jīng)接地事故點(diǎn)的電流較小，所以此中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)又可稱為小電流接地系統(tǒng)。這種系統(tǒng)下，一旦發(fā)生觸電或漏電事故，變壓器中性點(diǎn)與供電系統(tǒng)的對地電容、絕緣電阻形成回路，漏電電流通過回路流入大地，由于電網(wǎng)對地阻抗很大，很難降低觸電人身流過的電流，容易造成人身事故。若電網(wǎng)發(fā)生單相漏電時(shí)，非故障相電壓升高，可能引起弧光過電壓。長期存在的漏電電流和電火花使系統(tǒng)絕緣受到威脅，進(jìn)一步造成短路故障。此外，如果漏電情況集中在小電流接地系統(tǒng)的單相故障時(shí)，檢測情況將變的極其復(fù)雜，皆因漏電特征信號不易被觀測到，因此漏電保護(hù)的裝置誤動(dòng)拒動(dòng)屢見不鮮極難杜絕，而舊時(shí)期采用的依賴人力進(jìn)行排查的方法不斷被證明是事半功倍勞民傷財(cái)，而且效率極其低下，影響生產(chǎn)力發(fā)展的同時(shí)還可能引起事故。從20世紀(jì)80年代中期人們開始采用微機(jī)型選線裝置，多種選線原理被提出，選線產(chǎn)品也相繼被研制出。然而，在90年代末期，配電自動(dòng)化要求實(shí)現(xiàn)三方面的創(chuàng)新突破，包括自動(dòng)故障定位、隔離和非故障線路恢復(fù)供電。而目前的配電自動(dòng)化裝置仍存在無力解決的現(xiàn)象，越級跳閘時(shí)有發(fā)生。因此，迫切需要找到一種可靠實(shí)用的漏電故障選線技術(shù)。

礦井供電環(huán)境惡劣，故障頻發(fā)而且井下多用電纜連接各部分設(shè)備，漏電情況在所難免，生產(chǎn)現(xiàn)場急切呼喚選擇性漏電保護(hù)技術(shù)英國、法國是較早研究選擇性漏電保護(hù)技術(shù)的國家，發(fā)明了基于零序電流保護(hù)的選擇性漏電保護(hù)技術(shù)。之后自適應(yīng)漏電保護(hù)的理論開始被提出與關(guān)注近年來。將計(jì)算機(jī)技術(shù)用在漏電保護(hù)器上，大大推動(dòng)了漏電保護(hù)器的發(fā)展，縮短了漏電保護(hù)的判斷時(shí)間，速動(dòng)性能越來越好。

2、漏電故障原理分析

2.1未發(fā)生漏電情況

當(dāng)線路未發(fā)生漏電時(shí)，即漏電阻抗zh未接入電網(wǎng)時(shí)有：

結(jié)合式2、式1可得出，在三相對地絕緣平衡時(shí)而且沒有漏電發(fā)生，則變壓器的中性點(diǎn)對地電壓和電網(wǎng)零序電流和零序電壓：

根據(jù)式（3）可得出：在三相對地絕緣平衡時(shí)而且沒有無漏電發(fā)生，可以得出變壓器中性點(diǎn)對地的電壓也就是零序電壓和電網(wǎng)零序電流都是為零的。

2.2單支路漏電故障

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生漏電時(shí)，如圖1所示，即有漏電阻抗 接入電網(wǎng)的A相，則電網(wǎng)的平衡被破壞，根據(jù)彌爾曼定理可直接寫出變壓器0與大地0'兩點(diǎn)的電壓即的表達(dá)式：

由式（5）可得零序電壓即變壓器中性點(diǎn)對地電壓，為表述方便后文中即使用變壓器中性點(diǎn)對地電壓表示零序電壓。由式（6）可得出：零序電壓也就是電網(wǎng)三相對地電壓出現(xiàn)零序分量時(shí)，它是發(fā)生在當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相漏電時(shí)情況下的。

根據(jù)基爾霍夫電流節(jié)點(diǎn)電流定律可得出通過漏電阻抗的電流：

根據(jù)式（7），可得出：一旦線路發(fā)生單項(xiàng)漏電時(shí)，由于對地絕緣阻抗的存在，便有電流經(jīng)漏電阻抗和對地阻抗之間流過。流過絕緣阻抗的電流? ? 與流過絕緣阻抗的零序電流? ? 的方向相反，流過絕緣阻抗的電流? ? 為? ? 的3倍，即為每項(xiàng)零序電流之和。

再分析線路各段的電流情況，變壓器中性點(diǎn)0至線路中M點(diǎn)各相電流的情況：

因?yàn)樵谧儔浩鞯闹行渣c(diǎn)處，是沒有電流回路的。再根據(jù)式（8），可以得出：零序分量只產(chǎn)生于絕緣阻抗和漏電故障點(diǎn)之間。所以對于單支路供電情況，如果在變壓器端裝設(shè)零序電流互感器，并不能反映該線路的故障狀態(tài)。這也是供配電設(shè)計(jì)中的一個(gè)誤區(qū)。

實(shí)現(xiàn)零序功率方向型選擇性漏電保護(hù)裝置首先需要檢測零序電流和零序電壓的有效值以及其相角之差。

3、選擇性漏電保護(hù)分析方法

3.1零序電壓以及零序電流的檢測方法

零序電壓的檢測方法根據(jù)中性點(diǎn)接地方式不同而異。在礦井3.3KV以上的供電系統(tǒng)中，主要采用三相五芯電壓互感器檢測零序電壓，互感器二次側(cè)有兩個(gè)繞組，同時(shí)采用五柱鐵芯，目的是為零序磁通提供旁路通路?；ジ衅鞯亩蝹?cè)一個(gè)繞組“Y”接，另一個(gè)繞組“Z”接，即三角形開口，用于獲取零序電壓，這種方法廣泛用于母線和線路的絕緣監(jiān)視裝置中。

人為中性點(diǎn)經(jīng)電感或者電阻接地時(shí)零序電壓的檢測方法。

在人為中性點(diǎn)經(jīng)電阻或者電感接地的系統(tǒng)中，一般從人為中性點(diǎn)直接拾取零序電壓，因?yàn)樵谧儔浩鞯闹行渣c(diǎn)和人為的中性點(diǎn)之間，均不存在零序電流通路，所以也可以把人為的中性點(diǎn)對地電壓等同于變壓器的中性點(diǎn)對地電壓，也就是零序電壓。通常用于對地絕緣情況下附加直流檢測和零序功率方向型漏電保護(hù)相結(jié)合的情形，用于隔離直流分量。

零序互感器中穿過了主回路的三相具有絕緣監(jiān)視和屏蔽的電纜，其中的監(jiān)視層絲網(wǎng)一般都是做了接地處理的，而監(jiān)視層絲網(wǎng)和屏蔽層之間不可以通過該互感器的過線孔，不然的話將無法檢測零序電流。另外的兩個(gè)端子K1和K2為零序電流二次信號提供輸出。

3.2故障選線方法分析

3.2.1 利用故障時(shí)穩(wěn)態(tài)分量方法

這類方法目前應(yīng)用較多，算法也比較豐富，包括：群體比幅比相法、零序功率方向法[11]、零序電流有功分量法、五次諧波分量法、各次諧波平方和法、最大△（Isinφ）法、基于負(fù)序電流的選線方法等。從投入現(xiàn)場效果顯示，這些基于穩(wěn)態(tài)量的選線原理都有局限性。對經(jīng)消弧線圈過補(bǔ)償系統(tǒng)、大電阻接地及現(xiàn)場干擾比較大的情況下往往會(huì)失效。

3.2.2利用故障時(shí)暫態(tài)分量方法

使用故障后的穩(wěn)態(tài)分量檢測故障，主要問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小，這經(jīng)常使選線裝置不能正常動(dòng)作，同時(shí)要求當(dāng)發(fā)生短路時(shí)要有一個(gè)持續(xù)的穩(wěn)態(tài)斷路過程，并不適用于間歇性電弧接地故障;在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，故障產(chǎn)生的電容電流由消弧線圈的電感電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而使故障線路中的故障電流很小，甚至比健全線路還要小，因此，傳統(tǒng)的基于故障穩(wěn)態(tài)信息檢測選線的方法不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。與穩(wěn)態(tài)信號相比使用故障后的暫態(tài)分量進(jìn)行故障檢測具有很大優(yōu)越性：一是暫態(tài)信號幅值遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)信號，其中相差數(shù)倍到十幾倍，故障檢測靈敏度高;它不受消弧線圈和故障點(diǎn)電弧不穩(wěn)定的影響，事實(shí)上，故障點(diǎn)的間歇性擊穿，不停地會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)零序電流信號，這有助于故障的檢測。當(dāng)選擇暫態(tài)信號選線的主要問題是其過程非?？?，信號難以撲捉，并且外界對其的干擾影響比較大。與穩(wěn)態(tài)算法相比，需要采集更多的采樣點(diǎn)，才能準(zhǔn)確選定特征頻帶，計(jì)算量巨大。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，很容易記錄和使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法來處理接地故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號，暫態(tài)分量法具很強(qiáng)的生命力。

4、暫態(tài)分量的小波分析選線方法

4.1小波基的選取

使用小波分析線路故障時(shí)，公認(rèn)的難點(diǎn)是對小波母函數(shù)的選取具有廣泛的爭議性，不同的母函數(shù)和小波基的選擇對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響深遠(yuǎn)，選擇難度很大，但在實(shí)際操作中選擇針對不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行定性分析的方法的情況較多。而對小波函數(shù)的選取中DbN小波系是當(dāng)前使用相對廣泛的函數(shù)，這一小波系數(shù)據(jù)特性包含如下：支集長度L=2N，消失矩階數(shù)Mv=N;且隨著序號N的緩慢提升而導(dǎo)致時(shí)間局部性降低，但相應(yīng)的正則性有所增加從而使得頻域局部性變優(yōu)，有舍有得，優(yōu)劣并存。而本文選擇小波分析的目的是合理分析故障信號并從中篩選中不合理部分，但往往實(shí)際應(yīng)用中這些不合理部分表現(xiàn)出了極大地隨機(jī)不確定性，這就對小波的特性提出必然的客觀要求，必須選用相對波長較短，波動(dòng)次數(shù)多的小波，信號的局部信息將被平均化從而失去頻率局部性。幸好選線判據(jù)的底線要求相對輕松，互相有一些混疊對選線性能不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性惡化。因此針對上述的硬性要求，本文選用Db6小波。

4.2暫態(tài)量選線判據(jù)的構(gòu)造

暫態(tài)量選線的基本思路是：使用其分頻特性，把原信號的不同頻率成分分別投影到小波的細(xì)節(jié)頻帶上;由于在細(xì)節(jié)頻帶上的信號分量有可比性，其全部符合選線規(guī)則，依次對不同細(xì)節(jié)頻帶上的信號分量做大小和極性的比較，故障的線路就可判斷出來。通過零序電流互感器與零序電壓互感器得到選線所需信號，選線判據(jù)構(gòu)造如下：

（1）以故障點(diǎn)為歷史節(jié)點(diǎn)開始，選線分析的數(shù)據(jù)段是故障前2個(gè)周波與故障后4個(gè)周波的數(shù)據(jù)，通過基于選取的正交小波采用Mallat快速算法對各條線路上零序電流進(jìn)行小波分解，基于信號的采樣率，把信號分解到某一最大尺度，從而該尺度細(xì)節(jié)分量的頻段不含工頻，得到細(xì)節(jié)系數(shù)d1k，d2k，d3k，…，dmk其中m為分解的最大尺度，k為線路編號。

（2）設(shè)置一個(gè)故障標(biāo)志fs（k）在母線和每條線路上.k為線路編號（k=0表示母線），且令初值為零。

（3）首先設(shè)定一個(gè)閾值ξ一般取為ξ=0.2～0.4 ，從m尺度即最大的尺度開始，對各條線路分別進(jìn)行的小波變換都滿足|dmk（i≥ξ）條件的分量取出來并通過逐點(diǎn)進(jìn)行比較。在滿足上述條件下的情況下，在各個(gè)點(diǎn)處找出使得小波變換模制最大的前三條路線，通過各線路之間的比較，若比較發(fā)現(xiàn)小波變換值異號即其中一條線路小波變換值與另外兩條異號時(shí)，則相應(yīng)線路故障標(biāo)志為fs（k）=fs（k）+1;如果三者都是同號，則母線故障標(biāo)志為fs（0）=fs（0）+1;如果滿足閾值條件的線路數(shù)小于3條時(shí)，則相應(yīng)點(diǎn)就認(rèn)為是無效的，也就不進(jìn)行上述判斷。再對m-1尺度按上述原則進(jìn)行判斷，故障標(biāo)志則繼續(xù)累加。

（4）母線及各條線路故障標(biāo)志值可以經(jīng)過兩種尺度即經(jīng)m尺度和m-1尺度比較后得出，其中故障線路就是故障標(biāo)志最大者對應(yīng)的線路。

此判據(jù)也適用于對消弧線圈接地的電網(wǎng)，不過再使用此判據(jù)之前要做相應(yīng)的改進(jìn)。當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，其一般是工作在諧振補(bǔ)償狀態(tài)或者過補(bǔ)償狀態(tài)下。相對于k次的諧波電流，其消弧線圈的感抗也會(huì)增加k倍，電容中的諧波電流與線圈中的諧波電流的比值為K2：1。根據(jù)以上的說明，大于100Hz的諧波成分完全不受消弧線圈的影響，即其可以忽略消弧線圈的影響。所以暫態(tài)量的選線判據(jù)也是適用在此場合下。

4.3仿真實(shí)驗(yàn)

利用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的10kv電網(wǎng)仿真模型對四條線路測試，線路長度分別為0.5km，1km，1.5km和2km。線路參數(shù)如下：正序電阻R1=0.195Ω/km，零序電阻R0=0.743Ω/km;正序電感L1=1.91*10-4H/km，零序電感L1=8.72*10-4H/km ;正序電容C1=1.63*10-6F/km，零序電容C1=5.2*10-7F/km。消弧線圈運(yùn)行為過補(bǔ)償方式，補(bǔ)償度取10%。小波算法中，采樣率為3200HZ，用Db6小波 按快速算法進(jìn)行小波分解，分解到第四尺度。將漏電點(diǎn)接至線路4的A相末端，將過度電阻置零，設(shè)置仿真時(shí)間為0.1s，刀閘切換為：0.02s投入，0.05s斷開，啟動(dòng)仿真按鈕，可得如圖5所示的波形圖以及如圖2所示的線路4的各尺度小波細(xì)節(jié)系數(shù)。

如圖3所示是非故障線路電流波形，非故障線路的各尺度小波細(xì)節(jié)系數(shù)如圖4所示。

由以上仿真圖形以及各線路的小波系數(shù)可得：故障線路的電流比非故障線路的電流變化劇烈，振蕩頻率高，衰減快，且故障線路小波分解系數(shù)的模值大于非故障線路，幅值相反。故障線路的電流經(jīng)小波變換后，可更明顯的檢測到電流奇異點(diǎn)，從而可靠的選出故障線路。仿真表明，暫態(tài)量經(jīng)小波分解后，用小波系數(shù)構(gòu)成漏電選線判據(jù)是可行的。

結(jié)論：

漏電是井下電網(wǎng)的主要故障形式之一，危害性極大，不僅會(huì)導(dǎo)致人身觸電、單相接地、相間短路等故障，而且短路時(shí)產(chǎn)生的電火花可能會(huì)引起瓦斯和煤塵爆炸。因此，分析和研究漏電有利于設(shè)計(jì)高性能的漏電監(jiān)測、保護(hù)裝置。本文首先介紹了研究漏電保護(hù)的工程背景及意義，然后分別討論了未發(fā)生漏電和單支路漏電故障的典型特征，緊接著介紹基于零序電壓、零序電流的檢測方法，最后介紹了利用故障時(shí)穩(wěn)態(tài)分量方法和暫態(tài)分量的小波分析選線方法這兩種故障選線方法。

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作者簡介：

孫汝敏（1983-），男，江蘇連云港人，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，中煤新集能源股份有限公司工程師，現(xiàn)任電力公司一電廠廠長。