煤矿井下低压电网相敏保护算法的研究与探讨

[摘 要]相敏保护是煤矿井下低压电网主要的继电保护方法之一，将动态小波变换算法应用在相敏保护之中，既克服了模拟电子电路组成的保护器的错误判别，又可以实时在线监测电网的负荷电流数值。采用动态小波变换主要因其既可以准确地捕捉突变信号的特征，并能在不同频带上考察信号特征的演化，还可以准确地检测出平稳的工频信号，所以将其应用于井下低压电网负荷电流监测，不但能准确地捕捉到电网负荷电流发生的异常突变，还可以精准地计算正常运行情况下的负荷电流，使相敏保护的装置做出更加快速、准确的动作，仿真结果验证了该算法的有效性。

[关键词]井下低压电网;动态小波算法;负荷电流

[中图分类号]TM771 [文献标识码]A

在综采工作面上，需要用到大量的电动机设备，而在电动机设备中需要大容量的电动机进行工作。当大容量的电动机在启动时，其启动电流的数值较大，很容易跟电网发生短路故障时的故障电流相混淆，使得继电保护装置发生误动作，因此井下低压电网的短路保护常采用鉴幅式继电保护进行故障排除。但传统的鉴幅式继电保护或电子保护的整定误差大，动作时间长，可靠性低，还容易造成保护的误动作。

目前，在煤矿井下低压电网的相敏保护中，常利用单片机或PLC做控制保护装置，以克服模拟电子电路组成的保护器的错误判别，但无论利用单片机还是PLC做保护控制装置，都需要选择合适的算法进行电流和功率因数的计算。本文在分析相敏保护原理的基础上，提出了采用基于动态小波变换的相敏保护算法，并探讨了该算法的可靠性和准确性。

1 相敏保护原理

煤矿井下供电系统中的负载均为感性负载，供电线路及设备在短路或断相状态下电流和电压的相位与正常工作状态下相比较，是会发生一定的变化。在故障状态下，总有一相或几相电流的相位和电压的相位差趋于零或超前。而在电动机启动时，电流相位总是滞后电压，且比正常运行时相位差增大，利用此特点即可区分出供电线路中的电流是故障电流，还是电动机的启动电流，这就是相敏保护的基本工作原理。同时，电动机在启动时电流虽然较大，但功率因数比较低，通常在0.35～0.45左右。当煤矿井下供电系统发生短路故障时，功率因数则在0.9以上，与正常工作时相比则很大。

根据相敏保护的一般保护特性曲线，将鉴幅值、鉴相值分别与常数C1、C2相乘后再进行逻辑或，即：

根据（1）式选择不同的常数C1、C2，可得到不同的临界动作曲线。根据电网负荷大小选择不同的Cl、C2，可得到不同的动作区，这样可取得最佳的保护效果。它不但有较宽的动作界限选择余地，还有较高的动作灵敏度和可靠性，文中常数Cl、C2分别选择1.1和0.9。

通过上述介绍的相敏保护的工作原理，可以看出在选择恰当的常数Cl、C2之后，实时在线检测并计算出电流和功率因数的大小就可以准确、迅速地鉴别出是井下电网发生了短路故障，还是电机启动时造成的大电流。

2 利用动态小波变换实时在线检测电网电流突变值

煤矿井下输电、供电设备的电缆容易发生绝缘老化而损坏，设备电缆受机械损伤同样会使绝缘损坏，还有内部过电压使电气设备的绝缘击穿和运行操作人员的误操作，以及在井下潮湿恶劣条件下绝缘强度不够等，都容易造成井下电网发生短路故障。此外，巷道发生变形、垮塌等会拉伸电缆，使导线受外力冲击或挤压而发生断线，也会造成短路故障。在短路故障发生时，会产生较大的故障电流，同样在井下作业的大容量电机在启动的瞬间也会产生较大的启动电流。因此保护的主要任务就是井下电网产生大电流时，区分出此大电流属于短路故障电流，还是电机的启动电流，从而进行故障保护动作。依据动态小波变换的定义，本文取n=2，α1=α，α2=1-α，所构成的函数为：

根据煤矿井下电力系统的运行情况分析，选取ψ1（t）为傅里叶正弦变换函数sin（2πf1t）， ψ2（t）为db6小波，其中

α1=0.02，α2=0.98， C1=1.1， C2=0.9

f1为工频50 Hz， 采样频率为1600 Hz，用ψ（t）对故障电压波形进行6尺度下的分解分析。

本文选取1140V井下低压电网作为研究对象，利用动态小波变换的方法实时在线提取线路中的电流的突变值。

在上表的仿真分析中，为了简化仿真计算，假设煤矿井下供电系统是三相对称的负载，所以只考虑单相短路故障和单相接地短路故障。将供电系统中的某一相作为短路故障相（可假设为A相），通过Matlab仿真测试后，故障相的故障电流模极值为表1中的数值。通过表1可以清楚地看出，在Matlab仿真计算中分别设置整定电流为350A和220A，而最大短路电流设置为4200A的前提下，实际测试的故障相电流模极值的最大值和最小值的比值倍数能达到1.2左右，因此通过实时在线观测数据，就可以观测到电网负荷大电流的放大倍数是否增大，这样可以一目了然地发现电网负荷中是否出现了短路故障造成的大电流（电动机在启动时造成的启动电流为正常工作电流，其谐波频率中没有高次谐波，因此不会产生启动电流的模极值），从而判断出电网中的大电流是短路故障造成的故障电流，还是大容量电动机启动时造成的启动电流。为了加强继电保护装置的准确性，还可以实时在线监测线路中的功率因数，功率因数则可以通过可变电感和电阻来调节，且根据以往测试数据了解到，电动机启动时的功率因数一般在0.35～0.45左右，而短路时的功率因数则在0.9以上。所以相敏保护就可以可得到不同的临界动作曲线，这样可取得最佳的保护效果，从而获得较高的动作灵敏度和可靠性。

3 结论

本文针对煤矿井下低压电网的相敏保护的工作原理，探讨了采用动态小波变换算法来提取线路上实时电流的模极值，通过模极值的最大值和最小值的倍数比值可准确的计算出电网上是否产生了短路故障的大电流，及产生的大电流与线路正常运行时电流的比值。通过Matlab的仿真數据结果证明，利用动态小波变换提取的故障电流模极值的算法，能实时在线监测煤矿井下低压电网的负荷电流情况，测试数据准确、可靠，可提高相敏保护的动作灵敏度和可靠性。

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