煤矿井下选择性漏电保护分析研究

【摘要】本文分析漏电故障原理，零序电压以及零序电流的检测方法、故障选线方法等选择性漏电保护关键技术，给出小波分析选线方法，通过对比故障线路电流的小波系数与非故障线路的小波系数波形，可方便检测到电流奇异点，准确选出故障线路。

【关键词】漏电保护;故障选线;小波分析

1、引言

我国电力系统配电网发生的各种漏电故障中，80%为单相接地漏电故障[1-2]。较大的接地漏电流容易使故障扩大成两点或多点接地短路，甚至整个系统过电压，致使设备损坏，危害电力系统的安全运行。因此，及时找到漏电故障线路并予以切除至关重要。我国供电系统常用的方式有：中性点直接接地的供电系统，中性点不直接接地的供電系统。目前在我国供电网络中，大多数是中性点不直接接地系统。此类系统零序阻抗值比较大，一般比正序阻抗值高4倍之多，因此一旦发生某一相接地短路故障时，流经接地事故点的电流较小，所以此中性点不直接接地系统又可称为小电流接地系统。这种系统下，一旦发生触电或漏电事故，变压器中性点与供电系统的对地电容、绝缘电阻形成回路，漏电电流通过回路流入大地，由于电网对地阻抗很大，很难降低触电人身流过的电流，容易造成人身事故。若电网发生单相漏电时，非故障相电压升高，可能引起弧光过电压。长期存在的漏电电流和电火花使系统绝缘受到威胁，进一步造成短路故障。此外，如果漏电情况集中在小电流接地系统的单相故障时，检测情况将变的极其复杂，皆因漏电特征信号不易被观测到，因此漏电保护的装置误动拒动屡见不鲜极难杜绝，而旧时期采用的依赖人力进行排查的方法不断被证明是事半功倍劳民伤财，而且效率极其低下，影响生产力发展的同时还可能引起事故。从20世纪80年代中期人们开始采用微机型选线装置，多种选线原理被提出，选线产品也相继被研制出。然而，在90年代末期，配电自动化要求实现三方面的创新突破，包括自动故障定位、隔离和非故障线路恢复供电。而目前的配电自动化装置仍存在无力解决的现象，越级跳闸时有发生。因此，迫切需要找到一种可靠实用的漏电故障选线技术。

矿井供电环境恶劣，故障频发而且井下多用电缆连接各部分设备，漏电情况在所难免，生产现场急切呼唤选择性漏电保护技术英国、法国是较早研究选择性漏电保护技术的国家，发明了基于零序电流保护的选择性漏电保护技术。之后自适应漏电保护的理论开始被提出与关注近年来。将计算机技术用在漏电保护器上，大大推动了漏电保护器的发展，缩短了漏电保护的判断时间，速动性能越来越好。

2、漏电故障原理分析

2.1未发生漏电情况

当线路未发生漏电时，即漏电阻抗zh未接入电网时有：

结合式2、式1可得出，在三相对地绝缘平衡时而且没有漏电发生，则变压器的中性点对地电压和电网零序电流和零序电压：

根据式（3）可得出：在三相对地绝缘平衡时而且没有无漏电发生，可以得出变压器中性点对地的电压也就是零序电压和电网零序电流都是为零的。

2.2单支路漏电故障

当电网发生漏电时，如图1所示，即有漏电阻抗 接入电网的A相，则电网的平衡被破坏，根据弥尔曼定理可直接写出变压器0与大地0'两点的电压即的表达式：

由式（5）可得零序电压即变压器中性点对地电压，为表述方便后文中即使用变压器中性点对地电压表示零序电压。由式（6）可得出：零序电压也就是电网三相对地电压出现零序分量时，它是发生在当电网发生单相漏电时情况下的。

根据基尔霍夫电流节点电流定律可得出通过漏电阻抗的电流：

根据式（7），可得出：一旦线路发生单项漏电时，由于对地绝缘阻抗的存在，便有电流经漏电阻抗和对地阻抗之间流过。流过绝缘阻抗的电流    与流过绝缘阻抗的零序电流    的方向相反，流过绝缘阻抗的电流    为    的3倍，即为每项零序电流之和。

再分析线路各段的电流情况，变压器中性点0至线路中M点各相电流的情况：

因为在变压器的中性点处，是没有电流回路的。再根据式（8），可以得出：零序分量只产生于绝缘阻抗和漏电故障点之间。所以对于单支路供电情况，如果在变压器端装设零序电流互感器，并不能反映该线路的故障状态。这也是供配电设计中的一个误区。

实现零序功率方向型选择性漏电保护装置首先需要检测零序电流和零序电压的有效值以及其相角之差。

3、选择性漏电保护分析方法

3.1零序电压以及零序电流的检测方法

零序电压的检测方法根据中性点接地方式不同而异。在矿井3.3KV以上的供电系统中，主要采用三相五芯电压互感器检测零序电压，互感器二次侧有两个绕组，同时采用五柱铁芯，目的是为零序磁通提供旁路通路。互感器的二次侧一个绕组“Y”接，另一个绕组“Z”接，即三角形开口，用于获取零序电压，这种方法广泛用于母线和线路的绝缘监视装置中。

人为中性点经电感或者电阻接地时零序电压的检测方法。

在人为中性点经电阻或者电感接地的系统中，一般从人为中性点直接拾取零序电压，因为在变压器的中性点和人为的中性点之间，均不存在零序电流通路，所以也可以把人为的中性点对地电压等同于变压器的中性点对地电压，也就是零序电压。通常用于对地绝缘情况下附加直流检测和零序功率方向型漏电保护相结合的情形，用于隔离直流分量。

零序互感器中穿过了主回路的三相具有绝缘监视和屏蔽的电缆，其中的监视层丝网一般都是做了接地处理的，而监视层丝网和屏蔽层之间不可以通过该互感器的过线孔，不然的话将无法检测零序电流。另外的两个端子K1和K2为零序电流二次信号提供输出。

3.2故障选线方法分析

3.2.1 利用故障时稳态分量方法

这类方法目前应用较多，算法也比较丰富，包括：群体比幅比相法、零序功率方向法[11]、零序电流有功分量法、五次谐波分量法、各次谐波平方和法、最大△（Isinφ）法、基于负序电流的选线方法等。从投入现场效果显示，这些基于稳态量的选线原理都有局限性。对经消弧线圈过补偿系统、大电阻接地及现场干扰比较大的情况下往往会失效。

3.2.2利用故障时暂态分量方法

使用故障后的稳态分量检测故障，主要问题是接地稳态分量太小，这经常使选线装置不能正常动作，同时要求当发生短路时要有一个持续的稳态断路过程，并不适用于间歇性电弧接地故障;在中性点接地系统中，故障产生的电容电流由消弧线圈的电感电流进行补偿，从而使故障线路中的故障电流很小，甚至比健全线路还要小，因此，传统的基于故障稳态信息检测选线的方法不适用于中性点经消弧线圈接地系统。与稳态信号相比使用故障后的暂态分量进行故障检测具有很大优越性：一是暂态信号幅值远高于稳态信号，其中相差数倍到十几倍，故障检测灵敏度高;它不受消弧线圈和故障点电弧不稳定的影响，事实上，故障点的间歇性击穿，不停地会产生暂态零序电流信号，这有助于故障的检测。当选择暂态信号选线的主要问题是其过程非常快，信号难以扑捉，并且外界对其的干扰影响比较大。与稳态算法相比，需要采集更多的采样点，才能准确选定特征频带，计算量巨大。随着微电子技术的发展，很容易记录和使用复杂的数学算法来处理接地故障产生的暂态信号，暂态分量法具很强的生命力。

4、暂态分量的小波分析选线方法

4.1小波基的选取

使用小波分析线路故障时，公认的难点是对小波母函数的选取具有广泛的争议性，不同的母函数和小波基的选择对实验结果影响深远，选择难度很大，但在实际操作中选择针对不同实验环境进行定性分析的方法的情况较多。而对小波函数的选取中DbN小波系是当前使用相对广泛的函数，这一小波系数据特性包含如下：支集长度L=2N，消失矩阶数Mv=N;且随着序号N的缓慢提升而导致时间局部性降低，但相应的正则性有所增加从而使得频域局部性变优，有舍有得，优劣并存。而本文选择小波分析的目的是合理分析故障信号并从中筛选中不合理部分，但往往实际应用中这些不合理部分表现出了极大地随机不确定性，这就对小波的特性提出必然的客观要求，必须选用相对波长较短，波动次数多的小波，信号的局部信息将被平均化从而失去频率局部性。幸好选线判据的底线要求相对轻松，互相有一些混叠对选线性能不会造成实质性恶化。因此针对上述的硬性要求，本文选用Db6小波。

4.2暂态量选线判据的构造

暂态量选线的基本思路是：使用其分频特性，把原信号的不同频率成分分别投影到小波的细节频带上;由于在细节频带上的信号分量有可比性，其全部符合选线规则，依次对不同细节频带上的信号分量做大小和极性的比较，故障的线路就可判断出来。通过零序电流互感器与零序电压互感器得到选线所需信号，选线判据构造如下：

（1）以故障点为历史节点开始，选线分析的数据段是故障前2个周波与故障后4个周波的数据，通过基于选取的正交小波采用Mallat快速算法对各条线路上零序电流进行小波分解，基于信号的采样率，把信号分解到某一最大尺度，从而该尺度细节分量的频段不含工频，得到细节系数d1k，d2k，d3k，…，dmk其中m为分解的最大尺度，k为线路编号。

（2）设置一个故障标志fs（k）在母线和每条线路上.k为线路编号（k=0表示母线），且令初值为零。

（3）首先设定一个阈值ξ一般取为ξ=0.2～0.4 ，从m尺度即最大的尺度开始，对各条线路分别进行的小波变换都满足|dmk（i≥ξ）条件的分量取出来并通过逐点进行比较。在满足上述条件下的情况下，在各个点处找出使得小波变换模制最大的前三条路线，通过各线路之间的比较，若比较发现小波变换值异号即其中一条线路小波变换值与另外两条异号时，则相应线路故障标志为fs（k）=fs（k）+1;如果三者都是同号，则母线故障标志为fs（0）=fs（0）+1;如果满足阈值条件的线路数小于3条时，则相应点就认为是无效的，也就不进行上述判断。再对m-1尺度按上述原则进行判断，故障标志则继续累加。

（4）母线及各条线路故障标志值可以经过两种尺度即经m尺度和m-1尺度比较后得出，其中故障线路就是故障标志最大者对应的线路。

此判据也适用于对消弧线圈接地的电网，不过再使用此判据之前要做相应的改进。当中性点经消弧线圈接地时，其一般是工作在谐振补偿状态或者过补偿状态下。相对于k次的谐波电流，其消弧线圈的感抗也会增加k倍，电容中的谐波电流与线圈中的谐波电流的比值为K2：1。根据以上的说明，大于100Hz的谐波成分完全不受消弧线圈的影响，即其可以忽略消弧线圈的影响。所以暂态量的选线判据也是适用在此场合下。

4.3仿真实验

利用中性点经消弧线圈接地的10kv电网仿真模型对四条线路测试，线路长度分别为0.5km，1km，1.5km和2km。线路参数如下：正序电阻R1=0.195Ω/km，零序电阻R0=0.743Ω/km;正序电感L1=1.91*10-4H/km，零序电感L1=8.72*10-4H/km ;正序电容C1=1.63*10-6F/km，零序电容C1=5.2*10-7F/km。消弧线圈运行为过补偿方式，补偿度取10%。小波算法中，采样率为3200HZ，用Db6小波 按快速算法进行小波分解，分解到第四尺度。将漏电点接至线路4的A相末端，将过度电阻置零，设置仿真时间为0.1s，刀闸切换为：0.02s投入，0.05s断开，启动仿真按钮，可得如图5所示的波形图以及如图2所示的线路4的各尺度小波细节系数。

如图3所示是非故障线路电流波形，非故障线路的各尺度小波细节系数如图4所示。

由以上仿真图形以及各线路的小波系数可得：故障線路的电流比非故障线路的电流变化剧烈，振荡频率高，衰减快，且故障线路小波分解系数的模值大于非故障线路，幅值相反。故障线路的电流经小波变换后，可更明显的检测到电流奇异点，从而可靠的选出故障线路。仿真表明，暂态量经小波分解后，用小波系数构成漏电选线判据是可行的。

结论：

漏电是井下电网的主要故障形式之一，危害性极大，不仅会导致人身触电、单相接地、相间短路等故障，而且短路时产生的电火花可能会引起瓦斯和煤尘爆炸。因此，分析和研究漏电有利于设计高性能的漏电监测、保护装置。本文首先介绍了研究漏电保护的工程背景及意义，然后分别讨论了未发生漏电和单支路漏电故障的典型特征，紧接着介绍基于零序电压、零序电流的检测方法，最后介绍了利用故障时稳态分量方法和暂态分量的小波分析选线方法这两种故障选线方法。

参考文献：

[1]赵建文，李科，随晓娜，等.矿井电网漏电保护新方法[J].工矿自动化，2016，42（2）：47-51.

[2]秦冲.矿井电力系统漏电保护研究分析[J].煤炭技术，2017，36（10）：239-241.

[3]李美璐.煤矿井下选择性漏电保护系统研究[J].山西能源学院学报，2016，29（4）：53-54.

[4]张颖，张宇雄，容展鹏，等.基于中性点零序电流注入的高阻接地辨识方法[J].电力科学与技术学报，2016，31（3）：123-129.

作者简介：

孙汝敏（1983-），男，江苏连云港人，2006年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，中煤新集能源股份有限公司工程师，现任电力公司一电厂厂长。