煤礦高壓供電系統(tǒng)漏電故障MATLAB仿真

孔慶宇

（同煤集團(tuán)，山西 大同 037003）

在煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中，高壓漏電故障就是指線路中的其中一相發(fā)生了單相接地故障。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，非故障相對(duì)地相電壓升高了倍，變?yōu)樵瓉?lái)的線電壓。系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)可能會(huì)擊穿，故障點(diǎn)產(chǎn)生間隙性電弧時(shí)，有可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振過(guò)電壓，電壓可達(dá)相電壓的2.5～3倍，危及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)絕緣，使故障面擴(kuò)大，造成短路故障［1］。

1 分析煤礦高壓供電系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“礦井6～10 kV電網(wǎng)，當(dāng)單相接地電容電流小于10 A時(shí)，宜采用電源中性點(diǎn)不接地方式；大于10 A時(shí)，必須采取限制措施”。目前，我國(guó)煤礦井下高壓供電系統(tǒng)常見(jiàn)的接地方式主要是中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償方式接地。

1.1 中性點(diǎn)不接地方式下的煤礦高壓供電系統(tǒng)

煤礦高壓供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時(shí)，系統(tǒng)零序分量的等效網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖1：

圖1 中K打開(kāi)時(shí)為中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行的煤礦高壓供電系統(tǒng)，運(yùn)行良好時(shí)，三相線路有三相對(duì)稱的對(duì)地電容，每一個(gè)電容電流都與相電壓的正交成90°，三個(gè)電容電流的矢量合成為“0”，線路中無(wú)零序電流。煤礦高壓供電系統(tǒng)中，某條支路發(fā)生單相接地故障時(shí)，設(shè)中性點(diǎn)的電壓由0上升為-E˙A，故障點(diǎn)的零序電壓為：

設(shè)定流過(guò)故障點(diǎn)的電流為I˙f，故障線路Ⅲ的零序電流：

IΣC為供電系統(tǒng)中全部對(duì)地電容電流的總和。中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行的供電系統(tǒng)中，故障線路的零序電流I˙Ⅲ0與非故障線路零序電流反向［2］。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式下的煤礦高壓供電系統(tǒng)

分析等效網(wǎng)絡(luò)圖中，如果K閉合，就形成了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償［3］方式接地運(yùn)行的煤礦高壓供電系統(tǒng)。同樣當(dāng)線路Ⅲ發(fā)生A相接地故障時(shí)，即相電壓拉低成0。我們做同樣的分析計(jì)算。

故障點(diǎn)的零序電壓為：

忽略負(fù)載不對(duì)稱引起的不平衡電流，在煤礦高壓供電系統(tǒng)中，A相對(duì)地電壓為零，非故障相電壓幅值升高至倍。故障點(diǎn)的電流中增加一個(gè)消弧線圈補(bǔ)償?shù)母行噪娏鱅˙f，方向由經(jīng)故障點(diǎn)沿故障線返回。這樣運(yùn)行的煤礦高壓供電系統(tǒng)，流過(guò)故障點(diǎn)的電流I˙f包含供電系統(tǒng)中全部的非故障相的接地電容電流與消弧線圈補(bǔ)償?shù)碾姼须娏?部分，即：

由于I˙L與I˙ΣC反相，故障點(diǎn)的電流將被補(bǔ)償而變小。

故障線路的零序電流如下：

在這種中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償接地方式運(yùn)行的煤礦高壓供電系統(tǒng)中，單相接故障發(fā)生時(shí)，故障線路的零序電流是由全部非故障線路電容電流與消弧線圈電感電流矢量合成，故障線路零序電流明顯的是變小了。

2 仿真煤礦高壓供電系統(tǒng)單項(xiàng)接地模型

模擬煤礦井下高壓供電系統(tǒng)實(shí)際，建立一個(gè)10 kV煤礦井下高壓供電系統(tǒng)模型[4]。用SIMULINK仿真在中性點(diǎn)各種接地方式下以及各種消弧線圈補(bǔ)償狀態(tài)下，線路Ⅲ中的A相發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路與故障線路的零序電壓、零序電流的波形與相位。

把煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的電源輸入部分簡(jiǎn)化為無(wú)窮大容量的三相電壓源。煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中的三相電力主變壓器采用Three-phase Transformer（雙繞組型）模型，線電壓10 kV。煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中的消弧線圈接地裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)電感。為了接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的出線是3條電纜線路，所以用π型線路模型來(lái)模擬電纜線路。Three-phase Fault三相故障模塊的作用是模擬煤礦供電系統(tǒng)單相接地故障。Three-phase V-I Measurement三相伏安測(cè)量模塊測(cè)量各電纜線路中的電壓和電流。Scope模塊顯示各個(gè)測(cè)量參量的波形圖。主要參數(shù)設(shè)置如下：故障開(kāi)始的時(shí)間設(shè)置為0.1 ms，結(jié)束的時(shí)間設(shè)置為0.2 ms,對(duì)地電容設(shè)置為1μF,對(duì)地電阻設(shè)置（無(wú)窮大），接地故障過(guò)渡電阻設(shè)置為零。

圖2 煤礦高壓供電系統(tǒng)單相接地故障仿真

故障線路的零序電流與零序電壓[5]通過(guò)Add+Gain求和運(yùn)算模塊與增益調(diào)整模塊組合得出。該模塊的作用是通過(guò)模塊內(nèi)部運(yùn)算，對(duì)線路中三相電流、電壓的求和，并取該和值的1/3，這樣就得到需要的各條電纜線路的零序電流與零序電壓。具體模型如圖3所示。

圖3 Add+Gain組合模塊

2.1 中性點(diǎn)不接地高壓供電系統(tǒng)單相接地仿真

MATLAB仿真煤礦高壓供電系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式時(shí)，線路Ⅲ在0.01 s時(shí)發(fā)生單相接地，非故障線路與故障線路零序電流的波形情況見(jiàn)圖3。

圖3 非故障線路與故障線路零序電流的波形

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償接地運(yùn)行的高壓供電系統(tǒng)單相接地仿真

MATLAB仿真煤礦高壓供電系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償接地方式運(yùn)行時(shí)，線路Ⅲ在0.01s時(shí)發(fā)生單相接地，非故障線路與故障線路的零序電流波形的仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 非故障線路與故障線路的零序電流波形的仿真結(jié)果

2.3 仿真結(jié)論

通過(guò)分析仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路的零序電流的方向時(shí)而反向，時(shí)而正交，時(shí)而接近同向；煤礦高壓供電系統(tǒng)中各線路的零序矢量的各種狀態(tài)情況見(jiàn)圖5：

圖5 不同補(bǔ)償狀態(tài)下零序基波矢量

煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行狀態(tài)中，補(bǔ)償情況從欠補(bǔ)償?shù)竭^(guò)補(bǔ)償變化的過(guò)程中，故障線路的零序電流矢量見(jiàn)圖6中的Im0的，該矢量是逐漸從180°向0°變化的，線路中的所有零序電壓的矢量是固定不變的，始終與非故障線路的零序電流成90°。我們把各種接地方式下，以及各種補(bǔ)償情況下，故障線路的零序電流綜合到一個(gè)矢量坐標(biāo)內(nèi)，很容易發(fā)現(xiàn)故障線路零序電流隨補(bǔ)償量(由欠補(bǔ)償?shù)竭^(guò)補(bǔ)償過(guò)程)的逐漸增大變化，是順時(shí)針?lè)较驈淖笙蛴抑饾u變化的。

圖6 故障線路的零序電流矢量

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用MATLAB仿真了煤礦高壓供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序電流與零序電壓波形，并分析出故障線路與非故障線路的各零序電流矢量相位關(guān)系，該仿真有助于更進(jìn)一步研究煤礦高壓漏電保護(hù)技術(shù)。