矿山高压电网横向故障预警及选择性漏电保护系统的研究与应用

刘奎玉，唐沂伟，高俊超，马德建

(嵩县山金矿业有限公司，河南 洛阳 471400)

1 概述

矿井电力系统故障一般可分为横向故障和纵向故障两大类。横向故障是指各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。在三相短路中，由于短路的三相阻抗相等，三相电流和电压仍然是对称的，也称为对称短路。

运行经验表明，单相短路占电力系统短路故障的绝大部分，约占短路故障总数的65%，三相短路仅占5%～10%。虽然三相短路故障发生概率最小，但故障产生的后果最严重，必须引起足够的重视。垂直断层主要是指各种类型的断层，包括单相断层、两相断层和三相断层。

2 矿山横向电气故障的发展过程

图1 电气故障发展过程图

2.1 矿山高压电网横向故障原因

2.1.1 供用电设备自身质量问题

矿井和井下有大量的供电和利用设备。设备因其制造质量、生产工艺、出厂时采用的技术规格等原因，不能达到规定的要求。因此，在使用过程中很容易发生漏电。同时,在地下运行的过程中,当电源在使用设备和电缆损坏,裂缝绝缘层和电缆盘在使用圆圈是“8”,它将导致电缆热功率的增加,绝缘老化,等等,导致电缆的绝缘性能的大幅削减和电源设备。严重时出现漏电、短路故障影响供电安全。

2.1.2 矿山安全用电管理力度不强

在矿山用电管理工作中，由于长期维护不到位，一些电线和电缆可能被压埋或浸泡在阴沟中，导致电缆绝缘受潮老化，导致泄漏故障。在井下生产过程中，部分线缆及用电设备超负荷运行或被砸伤、刮伤等现象未被及时发现，也可能导致绝缘降低发生漏电故障，由此可以得出，绝缘老化是造成漏电的主要原因。

2.2 矿山高压电网横向故障危害

2.2.1 人身触电伤亡事故

当矿井供电设备发生泄漏故障时，操作者直接与供电设备外壳接触，造成触电事故。当电缆导线刺穿电缆外护套，直接暴露在空气中时，工作人员与操作者相互接触也会发生触电事故。

2.2.2 烧损烧毁供配电电气设备

当配电电气设备或电线电缆发生泄漏故障时，在断开电线或电缆绝缘时，泄漏电流会产生大量热量，烧坏电缆或设备，造成停电故障，影响安全生产及人身安全。另外，很多矿山采用中性点不接地系统，如井下发生弧光性接地漏电故障未能及时切除故障线路，会引起孤光过电压，造成供电系统发生铁磁谐振，严重时可烧坏配电设施，对矿山的安全生产造成极大危害。

2.2.3 短路故障的危害

两相短路故障乃至三相短路故障是矿山供电系统中最为严重的电气故障，轻则造成大面积停电事故，重则可能造成瓦斯、煤尘爆炸，火灾，给企业带来巨大的经济损失和人身伤亡事故。

如果能够将一些事故消灭在萌芽状态，做到防微杜渐，那会给煤炭企业带来巨大的经济利益和很好的社会效益。

3 绝缘监测系统

3.1 绝缘监测模块

该模块负责系统绝缘降低的监测与监控，当系统绝缘降低到定值时将监测到的数据上传至后台并报警。

3.2 绝缘监测及单相接地测控模块

3.2.1 无单相接地故障时绝缘监测及单相接地测控

在矿山电力系统中，监测单相接地时，为了动作的准确性，一般将开口三角电压的定值定在10V以上，接地电流定在1A以上，这样很多的高阻性接地故障被滤除掉，致使很多绝缘降低的故障发展成单相接地事故。

绝缘监测及单相接地测控模块可以一直监视零序电压，并将正常时的开口电压记忆，如果开口电压发生波动且一直向上波动，就将其记忆，此时如有一馈出线的零序电流数值大于定值，且零序电压和零序电流的相位关系符合时序鉴别原理、线路的对地导纳也发生很大变化，即证明本线路的绝缘已降低到一定程度，继续发展就会造成单相接地故障。该装置将信息上传至管理模块，由管理模块将信息综合处理后上传至后台系统，并报警哪条馈出线单相接地的风险增加。

3.2.2 发生单相接地故障时绝缘监测及单相接地测控

当系统中某处发生单相接地时，绝缘监测及单相接地测控模块除具备将故障线路选出外，还可以检测非故障线路的零序电流和零序电压的相位关系，同时还检测该线路的对地电导，如该健全线路对地导纳、电流数值、相位发生显著变化，证明该线路对地绝缘降低。该装置将信息上传至管理模块，由管理模块将信息综合处理后上传至后台系统，并提示工作人员哪条线路的绝缘降低。

4 单相接地系统（漏电监控系统）

该系统利用PT取零序电压信号，利用零序电流互感器取零序电流信号。为保证判断的准确性，电流、电压互感器的精度不低于0.5级。

将零序电压和零序电流信号送入绝缘监测及单相接地测控模块，该模块综合采用山东科技大学傅桂兴教授发明的“零序基波时序鉴别”原理、零序导纳原理及相位关系等判断故障，准确度极高。装置判断完成后将故障信号上传至管理机，有管理机将所有信息综合处理后通过以太网传至后台系统，并进行相关处理，发出报警或跳闸信号。同时由后台系统准确指定故障位置。

图2 三相电网零序电流分布规律

图3 零序等值电路图

图4 不同接地方式和不同补偿状态下单相接地故障电流矢量图

图5 “零序基波时序鉴别法”判定法则

如图5的U0J与某路I0的方波同时符合以下两条件：

（1）零序电流I0上升沿滞后于零序电压U0J上升沿而超前零序电压U0J下降沿，即零序电流I0上升沿界于零序电压U0J的上升沿与下降沿之间；

（2）零序电流I0下降沿滞后于零序电压U0J下降沿须大于0度而小于180度；

则该I0对应的线路为单相接地故障线路（如图5中之a、b）,否则为非故障线路（如图5中之c、d、e）。

5 两相接地短路故障评估系统

当系统发生单相接地故障后，系统发生两相接地故障的风险大大增加，据统计矿山电力系统发生短路故障有80%是有单相接地故障衍变而成的，如何预测发生单相接地后发展成短路故障的风险程度是降低两相短路故障的重要因素。

现今采取的办法主要是中性点经消弧线圈接地降低接地电流的办法，虽然解决了一些问题，但还不能起到预测的功能。

如果采用零序导纳和相位判别法可提前准确预估两相短路的危险程度。

当发生接地故障后，非故障线路中的绝缘监测及单相接地测控模块会实时监控本线路的零序电流和零序电压，并计算该线路的对地导纳及电压和电流的相位，如果导纳和相位没有变化，则证明发生两条线路对地短路的风险小；如果导纳和相位有变化，且向特定的方向变化，则证明发生两条线路对地短路的风险增大；绝缘监测及单相接地测控模块就将该线路的信息传至管理模块，管理模块处理后传至后台系统，后台系统经计算、比较处理后立刻切断接地故障线路。这样会降低甚至避免两相故障的发生。

6 结语

矿山高压电网横向故障预警及选择性漏电保护系统技术研究，对于高压供电电网可实现以下功能：不受消弧线圈补偿的影响；具有选择性漏电保护功能；系统绝缘降低预警；馈出线电缆绝缘降低预警；单相接地故障告警或跳闸；单相接地向两相短路发展的风险预警。以上功能与技术指标，属国内首创，对国内非煤矿山高压电网安全具有重大意义做出贡献！