基于阻性電流增量的礦山供電高阻接地故障選線方法

王 金

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

礦山工作環(huán)境十分復(fù)雜，所以礦山作業(yè)對用電的線路以及安全要求均較高，礦山作業(yè)均使用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)以此滿足礦山工作的安全規(guī)定，由于礦山作業(yè)用電需求較大，且電力系統(tǒng)是礦山作業(yè)的基礎(chǔ)保障，其是否穩(wěn)定運(yùn)行及可靠性影響到礦山經(jīng)濟(jì)利益與工作人員安全[1]。為了保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定，需要實(shí)時關(guān)注和分析電力系統(tǒng)中各個線路，確保及時發(fā)現(xiàn)其中的故障，挑選出礦山中的故障線路。

目前礦山中的電力系統(tǒng)多使用自然雙極接地方式，所以線路在出現(xiàn)單極接地故障時，故障處的電流較小，當(dāng)正常線路電壓變成原始電壓的2 倍時才會發(fā)現(xiàn)故障，導(dǎo)致出現(xiàn)線路崩潰以及設(shè)備損傷，所以準(zhǔn)確且快速地選出故障線路是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有方法通常分析礦山電力中發(fā)生故障前后電路的相電流特征，根據(jù)結(jié)果選取離散度進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)可能出現(xiàn)的容錯性以及一致性融合所有選線流程，通過最大離散度差實(shí)現(xiàn)礦山供電高阻接地故障選線?；蚴歉鶕?jù)小波原理計(jì)算出接地故障中的剩余電流并對其分析，同時對線路進(jìn)行識別，其次實(shí)時監(jiān)測電流，最終通過小波包分解完成故障選線，得出與正常線路之間的差異，實(shí)現(xiàn)礦山供電高阻接地故障選線。

目前方法由于沒有利用暫態(tài)過程，導(dǎo)致故障選線過程中容易忽略掉平穩(wěn)狀態(tài)下的故障路線，因此提出基于阻性電流增量的礦山供電高阻接地故障選線方法。

1 基于阻性電流增量的選線策略

礦山供電系統(tǒng)在發(fā)生線路故障時，受到線路參數(shù)以及故障初相交等影響，可能會忽略部分不明顯的故障信號，利用阻性電流增量將原始接地系統(tǒng)的運(yùn)行模式改變，使得電力系統(tǒng)中的零序電流以及零序阻性電流發(fā)生較大改變，以此生成故障線路的判斷依據(jù)，加強(qiáng)故障選線能力。

礦山供電過程中一旦發(fā)生單相接地故障后[2]，變電站會立即將小電流接地系統(tǒng)的運(yùn)行模型進(jìn)行變化，經(jīng)過變化后電力信號源在投入過程中零序網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生改變，假設(shè)零序電流的變化量計(jì)算公式為：

零序電流變化量的依據(jù)表達(dá)式為：

式中：α 和β 均為整定值。

針對故障點(diǎn)之前的測量點(diǎn)，加入電阻后會導(dǎo)致故障線路的零序電流增大，即：

針對故障點(diǎn)之后的測量點(diǎn)，添加電阻后會降低零序電壓，即：

已知接地故障線路中的零序阻性電流會呈直線上升，將該原理使用在零序阻性電流判斷依據(jù)中，進(jìn)而得出零序阻性電流大小的求解表達(dá)式為：

式中：I 為線路電流；Ra為編號為a 的電阻；χa為零序電壓和電流之間的相位差值。

零序阻性過流的判斷依據(jù)為：

式中：IZ為整定電流。

為了保證故障選線精度，除上述依據(jù)外，并添加零序電壓作為選線的輔助依據(jù)，依據(jù)的表達(dá)式為：

式中：U0為樣本點(diǎn)的零序電壓值；Lf 為整定值。

根據(jù)以上計(jì)算即可提前判斷出單相接地的故障路線，進(jìn)而縮小故障選線范圍，也加強(qiáng)故障選線精度。

上述分析僅僅將大量正常線路排除，且是在正常電阻的情況下進(jìn)行排除的，但針對礦山作業(yè)的特殊性，需要在其中添加高阻接地的方式進(jìn)行故障選線。

電阻接地方式可直接限制接地電流的水平，最大程度降低故障點(diǎn)附近的電位升高量，以此確保施工人員的人身安全，有效抑制接地電壓大小，除此之外，配電網(wǎng)在出現(xiàn)單相接地故障時，工作人員不必立即切除故障點(diǎn)，而是允許其繼續(xù)運(yùn)行兩小時，方便準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)對其實(shí)施相應(yīng)措施，加強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性。

為了進(jìn)一步提高故障選線精度，可針對高阻的阻值選擇入手，高阻接地是完全根據(jù)電阻對電網(wǎng)的內(nèi)部電壓進(jìn)行抑制，所以電阻的選取需要符合以下三點(diǎn)：抑制弧光接地過電壓；限制斷線諧振過電壓；排除電磁式電壓互感器的飽和過電壓。

2 高阻接地故障選線

根據(jù)零序電流等相關(guān)策略的設(shè)定以及高阻的選擇對礦山供電的故障進(jìn)行選線。

首先通過Prony 算法[3]分析出礦山供電網(wǎng)的各個線路的信號，計(jì)算出線路補(bǔ)償前后的原始相位變化量，對比每個電力的變化量結(jié)果，進(jìn)而得出故障線路。假設(shè)礦山供電的實(shí)時母線零序電壓為u0（t），若電壓u0（t）的幅值大于電壓閾值uset，即可開始進(jìn)行故障選線，所以開啟故障選線的標(biāo)志為：

式中：t 為線路接地時刻。

當(dāng)?shù)V山供電系統(tǒng)是M 回線系統(tǒng)，其中的電力系統(tǒng)母線故障電流計(jì)算公式為：

式中：i0i（t）為第i 條電力線路首端的零序電流；i0K（t）為消弧線圈的補(bǔ)償電流；i0i（t）為供電系統(tǒng)的母線故障電流。

通過濾波器提取出每個電力線路以及母線的電流信號的工頻分量，開始的標(biāo)志就是故障選線設(shè)備開始選線的時刻，通過Prony 算法獲取系統(tǒng)中每個工頻的電流信號在各個電波中的特征參數(shù)，得到故障線路前后兩周波的相位之差后，將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行規(guī)避，相位差小于標(biāo)準(zhǔn)值，即可判定電力系統(tǒng)的狀態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，此時可暫停電流信號的提取。

為了確保信號精度，可提前篩選出擬合偏差較大的電力數(shù)據(jù)，實(shí)質(zhì)上出現(xiàn)故障的路線，在暫態(tài)情況[4]下電路電流的幅值不會下降，所以此時不會出現(xiàn)故障線路被視為正常線路排除的情況，進(jìn)而總結(jié)出幅值即使很小也不會影響故障選線精度。

當(dāng)處在電阻接地暫態(tài)狀態(tài)時，正常線路的零序電流基本相同，且與故障線路存在明顯的差別，特別是針對高阻接地的暫態(tài)狀態(tài)電路，其正常線路的相位也會出現(xiàn)較大變化，此時的故障選線較為困難，即線路前后補(bǔ)償相位變化量計(jì)算難度較大，為此計(jì)算出電力線路 和其余線路的之間的相位差，其表達(dá)式為：

式中：v'q為正常線路與異常線路之間的相位變化量差；O 為相位差平均值的計(jì)算因子；Δλq為線路q 補(bǔ)償前的工頻電流相位變化量；Δλj為線路j 補(bǔ)償前的工頻電流相位變化量。

令相位變化量差最小值為v'min，得出故障選線的特征值計(jì)算公式為：

根據(jù)式（9）即可計(jì)算出特征最大值，即vmax，vmax即為所要求解的礦山供電接地故障線路。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于阻性電流增量的礦山供電高阻接地故障選線方法的整體有效性，利用華北電網(wǎng)張家口供電公司旗下電網(wǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

通常情況下故障選線是對比線路中的電流幅值，但經(jīng)長時間使用后發(fā)現(xiàn)，這種選線僅僅能使用在小范圍故障選線中，不能適用于大范圍的故障選線，且這種判斷是否有故障的方法僅僅可在故障發(fā)生的過程中，即當(dāng)故障趨于平穩(wěn)后，通過電流幅值已不能得出故障線路，所以為驗(yàn)證本文方法的有效性和實(shí)用性，選取電網(wǎng)故障平穩(wěn)狀態(tài)下，利用不同頻帶中能量的變化選取出故障線路，在線路發(fā)生故障時，能量的變化更能識別出故障線路，利用本文方法、配電網(wǎng)接地故障選線方法[5]以及電流接地故障選線方法[6]進(jìn)行選線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法的所得出的故障線路能量分布和正常線路能量分布之間的差異非常大，可以清楚的區(qū)別出線路中的故障線路，且不受故障狀態(tài)的影響，其余兩種方法雖與正常電路有所差別，但差別較小，不能輕易的識別出故障路線。

因?yàn)楸疚姆椒ň哂袝簯B(tài)過程，而電力線路處于暫態(tài)過程時，故障線路中帶有高頻分量，且分量的能量在故障線路和正常線路中，分布的幅值會比電流的幅值大得多，及當(dāng)出現(xiàn)故障時，正常電路的核異常電路之間的波動較大，可有效對比出故障線路，進(jìn)而加強(qiáng)本文方法的選線效果。

4 結(jié)論

由于礦山施工環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)電力故障，且多為配電網(wǎng)中的單相接地，配電網(wǎng)故障線路必須及時切除，否則可能出現(xiàn)相間短路或?qū)е码娏υO(shè)備損害等，所以針對礦山供電對接地故障線路的選取尤為重要，選取故障線路的準(zhǔn)確性直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及設(shè)備安全，因此提出基于阻性電流增量的礦山供電高阻接地故障選線方法，該方法首先分析阻性電流的原理得出選線策略，其次針對選線方法選取高阻的阻值，最終通過零序電流以及暫態(tài)過程得出故障線路，實(shí)現(xiàn)礦山供電高阻接地故障選線，加強(qiáng)故障選線的準(zhǔn)確性，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了礦山供電配電網(wǎng)的可開行，且可保證故障發(fā)生后斷站時間內(nèi)設(shè)備可以正常運(yùn)行同時不損毀電力設(shè)備，本文方法雖可準(zhǔn)確切除故障線路，但整體用時不太理想，針對該問題，下一階段故障選取索要提高的就是整體效率。