基于煤礦供電系統(tǒng)接地故障的中電阻選線算法研究

郭慧文，李隴奇，宋文晉，張鵬斌，穆建華，郭 琴

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)電業(yè)大同有限公司，山西 大同 037003；)2.西安西瑞控制技術(shù)股份有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

近些年，隨著我國(guó)煤礦規(guī)模的發(fā)展，礦區(qū)電網(wǎng)擴(kuò)充擴(kuò)容，電纜線路的大量投運(yùn)，網(wǎng)架分支越來(lái)越多且復(fù)雜多變。然而井下空間相對(duì)狹小、潮濕，整體環(huán)境惡劣。供電電纜在鋪設(shè)過(guò)程中極易遭受砸壓，過(guò)度彎曲造成外皮破損，嚴(yán)重破壞電纜絕緣性能。此外，供電線路長(zhǎng)期運(yùn)行在陰暗潮濕、煤塵，瓦斯等惡劣環(huán)境下，甚至長(zhǎng)期浸泡在水中，導(dǎo)致線纜壽命嚴(yán)重下降。大大增加了接地故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。接地故障后，如果得不到及時(shí)處理，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)引發(fā)相間故障，產(chǎn)生火花，在瓦斯和煤塵的助燃下，極易造成爆炸事故,直接燒毀線路和設(shè)備，引發(fā)井下斷電，工作設(shè)備停運(yùn)，甚至造成嚴(yán)重的人身傷害，對(duì)企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了保障煤礦工作人員與電氣設(shè)備的安全、企業(yè)的正常運(yùn)行，在煤礦電網(wǎng)配備小電流接地選線裝置，在接地發(fā)生初期就準(zhǔn)確定位故障，切除故障線路，防止事故擴(kuò)大蔓延，具有十分重要的意義。

近些年來(lái)，隨著選線理論和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，選線裝置的原理基本上經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法兩個(gè)階段。穩(wěn)態(tài)法通過(guò)比較所有出線零序電流工頻向量模值，選擇最大的3條再通過(guò)工頻相位比較定位故障線路，但在發(fā)生高阻接地故障時(shí)，故障線路的容性電流很小，且受消弧線圈補(bǔ)償?shù)挠绊懀湓肀旧泶嬖谌毕?；暫態(tài)法通過(guò)捕捉故障發(fā)生時(shí)刻的暫態(tài)零序電壓、零序電流特性進(jìn)行故障識(shí)別，但現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，特別是發(fā)生高阻接地故障時(shí)，暫態(tài)電流信號(hào)微弱，主要以穩(wěn)態(tài)電流為主，此時(shí)該原理也很難準(zhǔn)確識(shí)別故障線路。

針對(duì)上述傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)選線算法的不足，該文提出了一種基于阻性電流變化量的中電阻選線算法，即在系統(tǒng)中性點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)大功率電阻，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障瞬間，將中電阻短時(shí)投入，從而有效降低故障線路系統(tǒng)阻抗，增大故障線路零序電流阻性分量。通過(guò)對(duì)比中電阻投入前后零序電流阻性分量的變化量來(lái)準(zhǔn)確甄別故障線路。該算法故障特征明顯，不受消弧線圈影響，不依賴暫態(tài)數(shù)據(jù)窗信息，能夠克服高阻接地時(shí)，暫態(tài)算法信號(hào)微弱，暫態(tài)數(shù)據(jù)窗捕捉困難，選線錯(cuò)誤的問(wèn)題?？梢杂行岣呓拥剡x線的準(zhǔn)確率。

1 基于阻性電流變化量的中電阻選線原理

1.1 中電阻選線原理

對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，典型的經(jīng)消弧線圈接地方式，在中性點(diǎn)處并聯(lián)中電阻Rz，并經(jīng)過(guò)開關(guān)K接地，具體如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖

初始狀態(tài)下，中阻開關(guān)K打開，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過(guò)健全線路L1和故障線路L2的零序電流分別為：

(1)

(2)

健全線路和故障線路對(duì)應(yīng)的阻性電流分別為：

(3)

(4)

當(dāng)中電阻投入后，流過(guò)健全線路L1和故障線路L2的零序電流分別為:

(5)

(6)

則流過(guò)健全線路和故障線路的阻性電流分別為:

(7)

(8)

1.2 仿真分析與結(jié)果

該文根據(jù)煤礦電網(wǎng)的特點(diǎn)(井下電網(wǎng)多采用單側(cè)電源輻射狀干線式網(wǎng)絡(luò)，分支較多，電纜長(zhǎng)度較短，以0.3～3 km居多)，搭建MATLAB仿真模型，并對(duì)該文提出的阻性電流的中電阻法選線算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬10 kV經(jīng)消弧線圈接地方式，母線掛接3條輸電線路，從上至下依次以Π型等效電路，設(shè)置線路長(zhǎng)度分別為線路1∶0.8 km，線路2∶1.0 km，線路3∶3.0 km，中電阻R=134 Ω。仿真模型如下圖2所示。模擬第3條線路A相高阻接地，分別測(cè)量健全支路(線路2)和故障支路(線路3)的零序電流，并進(jìn)行阻性電流分離，來(lái)對(duì)比故障支路和健全支路的特性，以驗(yàn)證算法的選線準(zhǔn)確性。

圖2 MATLAB仿真模型

圖3和圖4分別為單相接地故障后中阻投入前后健全支路(線路2)和故障支路(線路3)的零序電流阻性分量波形，其中在0.1 s時(shí)刻模擬故障支路(線路3)A相接地，0.3 s時(shí)刻投入中電阻。

圖3 健全支路投入中阻前后零序電流阻性分量

圖4 故障支路投入中阻前后零序電流阻性分量

通過(guò)以上接地瞬時(shí)中阻投入前后零序電流阻性分量的波形對(duì)比，可以看出，故障線路(線路3)的阻性電流在發(fā)生故障后在反方向增大了160 A左右，故障特征明顯，而健全線路(線路2)的阻性分量則基本保持不變，進(jìn)一步驗(yàn)證了此算法的準(zhǔn)確性。

2 煤礦應(yīng)用效果

基于上述阻性電流變化量的中電阻選線算法開發(fā)的小電流選線裝置，在晉能集團(tuán)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，取得了良好的試驗(yàn)效果。以夏家河變電站10 kV段為例，2020年8月13日16∶02∶16井下一采區(qū)1#線路發(fā)生單相接地故障，裝置正確選線并切除了故障線路。通過(guò)提取現(xiàn)場(chǎng)的故障錄波文件，并對(duì)波形中的故障線路和健全線路的數(shù)據(jù)作了進(jìn)一步分析。

圖5為故障時(shí)投入中阻前后故障線路(1#線路電流3I0)和健全線路(2#線路電流3I0)的波形對(duì)比，并從故障波形中分離故障線路和健全線路的阻性電流分量3I01_R和3I02_R。

如圖5所示，在投入中阻前如圖t1時(shí)刻，兩條支路的零序電流阻性分量并無(wú)太大差別：分別為-0.206 A和-0.2 A。當(dāng)支路1發(fā)生單相接地故障，中電阻投入后，故障線路的零序電流阻性分量明顯增大，而健全支路則基本保持不變，兩條支路顯示出了較大差異，如圖t2時(shí)刻所示：1#線路零序電流電阻分量達(dá)到-1.196 A，2#線路零序電流電阻分量為-0.083 A。

|Δ3I01_R|=0.990 A

|Δ3I02_R|=0.117 A

由于|Δ3I01_R|?|Δ3I02_R|，選線裝置正是利用此特征量正確動(dòng)作切除了故障支路。

圖5 投入中阻前的故障錄波

3 結(jié)論

在我國(guó)煤礦供電系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時(shí)，基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)原理的選線裝置本身存在缺陷，不能準(zhǔn)確定位高阻接地故障。該文提出的中電阻選線算法，通過(guò)對(duì)比中電阻投入前后零序電流阻性分量的變化量來(lái)準(zhǔn)確甄別故障線路。該算法故障特征明顯，不受消弧線圈影響，不依賴暫態(tài)數(shù)據(jù)窗信息，能夠克服高阻接地時(shí)，暫態(tài)算法信號(hào)微弱，暫態(tài)數(shù)據(jù)窗捕捉困難，選線錯(cuò)誤的問(wèn)題?？梢杂行岣呓拥剡x線的準(zhǔn)確率。利用該算法開發(fā)的裝置已在晉能煤礦變電站進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，并取得了良好的效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了此選線算法在煤礦供電系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。