基于多點(diǎn)電流電壓信號(hào)的礦用照明供電系統(tǒng)短路保護(hù)研究

王紅磊，盧其威

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

礦用照明綜合保護(hù)裝置(以下簡(jiǎn)稱：照明綜保)主要用于煤礦井下照明負(fù)載、信號(hào)負(fù)載以及監(jiān)控設(shè)備的供電和保護(hù)?，F(xiàn)在一些礦井不斷實(shí)施亮化工程，照明巷道燈之間的間距往往小于10 m[1]，因此所需的照明負(fù)載越來(lái)越多，容量要求不斷增大供電距離也不斷加長(zhǎng)，隨著負(fù)載增多和供電距離延長(zhǎng)，當(dāng)照明供電線路在遠(yuǎn)端出現(xiàn)短路故障，故障電流變化并不明顯，不能及時(shí)切除短路故障，短路點(diǎn)很容易形成電弧，造成電氣火災(zāi)，影響著煤礦安全生產(chǎn)和供電安全。目前照明綜保的短路保護(hù)主要是通過(guò)對(duì)線路出口端的電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，線路在遠(yuǎn)端發(fā)生故障，由于電流變化不明顯，這種檢測(cè)方法很容易出現(xiàn)誤判漏判現(xiàn)象。

現(xiàn)有的短路故障快速檢測(cè)技術(shù)主要包括特征量法、峰值預(yù)測(cè)法、圖形判據(jù)法、小波變換法、基于鎖相環(huán)的檢測(cè)等5類方法[2]。國(guó)內(nèi)外也有把機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法應(yīng)用到短路故障檢測(cè)，如用于檢測(cè)感應(yīng)電機(jī)短路的嵌入式應(yīng)用的機(jī)器學(xué)習(xí)和多分辨率分解[3]和基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用的凸極同步發(fā)電機(jī)短路故障檢測(cè)[4]；基于圖像處理和深度學(xué)習(xí)方法的變壓器繞組匝間短路故障定位[5]；基于黑洞粒子群和多層級(jí)SVM的低壓交流系統(tǒng)短路故障類型辨識(shí)[6]。

實(shí)際上，當(dāng)線路遠(yuǎn)端出現(xiàn)故障時(shí)，由于電流并不大，對(duì)短路保護(hù)的快速性要求并不需要很高。主要是容易造成故障電弧，因此準(zhǔn)確檢測(cè)出短路故障，做出保護(hù)尤為重要，避免造成更嚴(yán)重的危害。文獻(xiàn)[7]提出通過(guò)對(duì)三相電壓降低構(gòu)建故障識(shí)別判據(jù)；也有基于融合多種時(shí)頻域故障特征的短路保護(hù)[8，9]，文獻(xiàn)[10]基于復(fù)合序網(wǎng)中的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的單相接地故障保護(hù)；以故障狀態(tài)與非故障狀態(tài)下的正序阻抗比構(gòu)建故障定位判據(jù)，線路故障內(nèi)部電壓與電流變化與故障前不同，進(jìn)一步分析要想準(zhǔn)確檢測(cè)線路發(fā)生的故障，就要對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)[11，12]。上述方法都是基于電廠或電網(wǎng)電壓等級(jí)較高的系統(tǒng)，進(jìn)行短路保護(hù)，對(duì)于礦下低壓照明供電系統(tǒng)不太合適，針對(duì)礦下低壓照明供電系統(tǒng)，提出一種新的方法檢測(cè)，檢測(cè)不同位置多點(diǎn)電流信號(hào)保護(hù)方法，此方法的優(yōu)勢(shì)在于可以精準(zhǔn)的檢測(cè)出供電線路的短路故障發(fā)生，通過(guò)對(duì)比故障點(diǎn)前后電流大小，判斷出故障發(fā)生的區(qū)域，配合相關(guān)保護(hù)裝置做出保護(hù)，也可以輔助后期維修人員的檢修，縮小檢修范圍。

1 保護(hù)原理和特征分析

1.1 保護(hù)原理

本研究所提出的基于檢測(cè)不同位置多點(diǎn)電壓和電流信號(hào)照明綜合保護(hù)裝置短路保護(hù)方法。其原理就是短路后照明線路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這種結(jié)構(gòu)發(fā)生變化就會(huì)引起故障點(diǎn)前后檢測(cè)裝置檢測(cè)的電壓和電流發(fā)生不同的變化。照明供電系統(tǒng)等效電路如圖1所示，假設(shè)照明供電線路總長(zhǎng)1500 m，在照明供電線路的前端(第一個(gè)照明負(fù)載之前的一段線路)安裝電壓電流檢測(cè)裝置1；在600 m處安裝電流檢測(cè)裝置2；后端(最后一個(gè)照明負(fù)載前的300 m處)安裝電流檢測(cè)裝置3；Z1～Zn是每個(gè)照明負(fù)載之間線路上的等效電阻。

圖1 照明供電系統(tǒng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of lighting power supply system

圖2 三相短路故障等效電路Fig.2 Equivalent circuit of three-phase short-circuit fault

假設(shè)在檢測(cè)裝置2和檢測(cè)裝置3之間發(fā)生短路故障，短路故障點(diǎn)前的檢測(cè)裝置2所檢測(cè)的電壓和電流大小和相位會(huì)都會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)集中監(jiān)控設(shè)備對(duì)比故障前后電壓電流信號(hào)的變化量就可以判斷出短路故障的發(fā)生。進(jìn)一步分析短路故障點(diǎn)后檢測(cè)裝置3的電流和電壓變化量會(huì)呈現(xiàn)不同于檢測(cè)裝置2的變化，因此分析檢測(cè)裝置2和3的故障前后的電壓電流變化量，便能定位故障發(fā)生的區(qū)塊，同時(shí)也可以判斷出發(fā)生的短路故障類型。同樣無(wú)論短路故障發(fā)生在照明供電線路何處，安裝在不同位置的檢測(cè)裝置都能依據(jù)故障點(diǎn)前后所檢測(cè)到的電壓電流變化量進(jìn)行故障判斷。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)短路故障發(fā)生的類型和短路故障發(fā)生的位置都會(huì)使其前后電壓電流產(chǎn)生不同的變化，利用這些安裝在照明供電線路不同位置的檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量被保護(hù)線路的電壓和電流，傳輸?shù)郊斜O(jiān)測(cè)終端，在集中檢測(cè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將所測(cè)電壓和電流信號(hào)分別與各自前一個(gè)周波的電壓電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)故障點(diǎn)前后電壓和電流的變化量進(jìn)行故障分析和判斷。

1.2 特征分析

1.2.1 三相短路故障分析

三相短路雖然發(fā)生的概率最小，但卻是影響最嚴(yán)重的故障類型[15]，可以通過(guò)構(gòu)造故障前后電氣量信息構(gòu)造方程組，分析出發(fā)生短路故障后故障點(diǎn)前后檢測(cè)點(diǎn)電壓和電流的變化。

在照明線路d點(diǎn)設(shè)置三相短路故障。三相短路故障出現(xiàn)在照明線路前端時(shí)，故障特征明顯，比較容易判別。在中后段時(shí)通過(guò)檢測(cè)前端處的電壓和電流的變化，故障特征不明顯很難識(shí)別出故障，但是通過(guò)檢測(cè)內(nèi)部電流電壓變化依舊可以準(zhǔn)確判別短路故障。假設(shè)在照明供電線路d點(diǎn)(即第d臺(tái)處巷道燈發(fā)短路)發(fā)生三相短路故障。

由于發(fā)生三相短路故障與正常工作時(shí)，線路的電壓和電流是一種對(duì)稱關(guān)系，A相、B相、C相電流依此相差120。因此單獨(dú)分析一相線路即可推出其余相電壓電流，A相供電線路正常工作時(shí)，檢測(cè)裝置2處的線路的線電流Ia2。

檢測(cè)裝置3處的線路的電流為Ia3。

Uaj，Ubj，Ucj(i=1，2……n)為不同距離位置巷道燈上的相電壓；ZLED是每個(gè)照明負(fù)載的等效阻抗；

1.2.2 兩相短路故障

假設(shè)在d處發(fā)生兩相短路故障[16]，照明供電系統(tǒng)發(fā)生兩相短路時(shí)的等效電路圖3所示。

圖3 兩相短路故障等效電路Fig.3 Equivalent circuit of two-phase short-circuit fault

1.2.3 兩相短路接地故障

假設(shè)在d處發(fā)生兩相接地短路故障[17]，照明供電系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路時(shí)的等效電路圖4所示。

圖4 兩相接地短路故障等效電路Fig.4 Equivalent circuit of two-phase short-circuit ground fault

礦下照明供電系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，兩相相接地短路故障和兩相短路故障，電流分析一致，但是相電壓變化不同。兩相相接地短路故障非故障線路的相電壓電壓升高成線電壓，兩相短路接地故障點(diǎn)處接地電壓降為零，假設(shè)在A、B兩相發(fā)生短路接地故障，A、B故障相線路檢測(cè)裝置1處的電壓會(huì)下降，C相檢測(cè)裝置1處電壓會(huì)上升，通過(guò)檢測(cè)裝置1電壓變化量對(duì)比可以區(qū)別出兩相短路故障和兩相短路接地故障。

1.2.4 單相接地故障

礦下照明供電系統(tǒng)系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，不會(huì)對(duì)線路內(nèi)的負(fù)載造成影響，但是單相接地會(huì)使其余線路相電壓升高，如果沒(méi)有及時(shí)處理，可能會(huì)造成更嚴(yán)重的危害，對(duì)于區(qū)分故障的類型和故障位置對(duì)于礦下安全也很重要[18]，單相接地故障線路如圖5所示。

圖5 單相接地故障等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of single-phase ground fault

單相接地故障發(fā)生后，照明線路電流不受影響，但是故障點(diǎn)相電壓降為零伏，故障點(diǎn)前的電壓也會(huì)出現(xiàn)大幅度下降，可以通過(guò)電壓檢測(cè)裝置1的電壓下降值，作為單相接地故障判斷依據(jù)。

2 仿真驗(yàn)證

驗(yàn)證上文所提出照明綜合保護(hù)裝置短路保護(hù)方法使用MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建了煤礦井下供電系統(tǒng)短路故障仿真模型[19]。該模型包含線路的等效模塊、巷道燈的仿真模塊、短路故障模塊。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[20]：照明供電全程線路1500 m；供電電壓127 V，頻率50 Hz；在初始端設(shè)置電壓電流檢測(cè)檢測(cè)裝置1，600 m處設(shè)置電流檢測(cè)檢測(cè)裝置2；1200 m處設(shè)置電流檢測(cè)檢測(cè)裝置3；把短路模塊設(shè)置在900 m處，在0.05 s后發(fā)生不同類型短路故障，然后通過(guò)不同位置的檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)故障點(diǎn)的電壓和電流的變化，驗(yàn)證上文的推論，并驗(yàn)證所提出的方法可行性。

2.1 三相短路故障仿真驗(yàn)證

三相短路故障發(fā)生后，三個(gè)不同電流檢測(cè)位置電流變化如圖6所示。

圖6 三相短路故障不同檢測(cè)點(diǎn)電流變化Fig.6 Current changes at different detection points in three-phase short-circuit faults

由圖6可知三相短路故障后可以發(fā)現(xiàn)短路故障前后電流的變化很大，故障點(diǎn)前的電流檢測(cè)裝置1和2檢測(cè)到電流則快速增大，是原來(lái)的電流數(shù)倍，故障點(diǎn)后的電流檢測(cè)裝置3檢測(cè)到電流迅速會(huì)降至為零。通過(guò)電流變化量構(gòu)建三相短路判據(jù)，驗(yàn)證了上文的推論，通過(guò)不同位置的電流檢測(cè)裝置，精準(zhǔn)檢測(cè)出三相短路故障的發(fā)生。

2.2 兩相短路故障仿真

設(shè)置AB兩相發(fā)生短路故障，三個(gè)不同電流檢測(cè)裝置檢測(cè)到的電流變化如圖7所示，電壓檢測(cè)裝置1處電壓變化如圖8所示。

圖7 兩相短路故障不同檢測(cè)點(diǎn)電流變化Fig.7 Current changes at different detection points in two-phase short-circuit faults

圖8 兩相短路故障裝置1處電壓變化Fig.8 Voltage change at the two-phase short-circuit fault device 1

由圖8可知當(dāng)兩相短路故障發(fā)生后，故障點(diǎn)前端電流檢測(cè)裝置1和2會(huì)檢測(cè)到電流會(huì)迅速增大，故障點(diǎn)后端電流檢測(cè)裝置2檢測(cè)到的故障線路A和B的電流大小相同，有一定程度下降，而電壓裝置1處相電壓不變。故可以通過(guò)不同位置的電流檢測(cè)點(diǎn)前后端電流變化作為故障發(fā)生的特征，通過(guò)電壓裝置1處的電壓變化可以區(qū)別發(fā)生的故障類型。

2.3 兩相短路接地故障仿真

設(shè)置AB兩相發(fā)生短路接地故障，電壓檢測(cè)裝置1處檢測(cè)檢測(cè)到的相電壓變化如圖9所示。

圖9 兩相短路接地故障檢測(cè)裝置1處電壓變化Fig.9 Voltage change at the two-phase short-circuit grounding fault detection device 1

通過(guò)仿真驗(yàn)證，對(duì)比圖8和圖9，AB兩相短路故障和AB兩相短路接地故障在電壓檢測(cè)裝置1處電壓，可以看出有著明顯不同，通過(guò)檢測(cè)裝置1處的相電壓變化可以進(jìn)行故障類型的區(qū)別。

2.4 單相短路接地故障仿真

設(shè)置A相線路在0.05 s時(shí)發(fā)生短路接地短路故障，電壓檢測(cè)裝置1處檢測(cè)到的電壓變化如圖10所示。

圖10 單相短路接地故障檢測(cè)裝置1處電壓變化Fig.10 Voltage change at the single-phase short-circuit grounding fault detection device 1

單相短路故障發(fā)生在900 m時(shí)，由于礦下照明供電系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，對(duì)線路電流不會(huì)造成太大影響，由圖10可知，故障線路在電壓檢測(cè)裝置1處相電壓會(huì)下降，非故障相升為線電壓，通過(guò)檢測(cè)相電壓變化，可以判斷是否發(fā)生單相接地故障。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)照明供電系統(tǒng)發(fā)生遠(yuǎn)端短路故障后前后電壓電流變化分析，發(fā)現(xiàn)不同故障類型在故障點(diǎn)前后相電壓和電流變化有著明顯的不同，提出一種基于多點(diǎn)基于檢測(cè)不同位置多點(diǎn)電流信號(hào)照明綜合保護(hù)裝置短路保護(hù)方法。通過(guò)仿真驗(yàn)證了此種方法的可行性。此種方法的優(yōu)勢(shì)：由于所提取的故障特征量具有很好的故障辨別能力，故障前后電壓電流差異很大，可以精準(zhǔn)的檢測(cè)出照明線路發(fā)生遠(yuǎn)端短路故障，而且不受限于照明線路故障發(fā)生的距離，也可以做到故障區(qū)分和故障區(qū)塊定位。此方法也可以結(jié)合目前照明綜保中的漏電、電弧的檢測(cè)方法，做到更為精準(zhǔn)快速的保護(hù)。