煤矿电网单相漏电故障区段自动定位探索

高宏杰， 赵建文， 郭秀才

(1.甘肃靖远煤业集团有限责任公司， 甘肃 白银 730913；2.西安科技大学 电气与控制工程学院， 陕西 西安 710054)

0 引言

煤矿电网是煤矿生产设备的动力来源，可靠的电能供应对于煤矿生产至关重要。单相漏电故障是煤矿电网中发生概率最高的电气故障，约占煤矿电网电气故障总数的80%。因此，煤矿电网的单相漏电保护技术是实现煤矿电网可靠供电的关键技术。

煤矿电网多为中性点非有效接地系统(小电流接地系统)，其中包括中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统。目前，煤矿电网的单相漏电保护技术的研究重点在于检测故障馈出线，即选漏。为了缩小停电范围和制定检修顺序，在确定出故障馈出线后，需进一步明确故障发生的位置。但目前仍通过人工查找故障位置，效率低且费时费力。

煤矿电网单相漏电区段自动定位技术能够确定故障所发生的区段，是更为精确的单相漏电保护定位方式，可避免传统单相漏电保护停电范围大的问题，有利于保证煤矿电网对重要负荷的供电。本文分析了单相漏电故障区段自动定位的必要性，并对故障过程机理、故障信号处理及特征规律、定位方法进行了研究，分析了存在的问题并给出了研究建议，以推动煤矿电网单相漏电区段自动定位技术的发展。

1 单相漏电故障区段定位研究的必要性

1.1 单相漏电故障检测需求

煤矿采区变更频繁，生产设备容量较大且启停频繁，煤矿出现巷道变形、掉矸或坍塌等情况时易损坏电缆绝缘，且煤矿生产环境特殊，井下空间狭小、空气潮湿，因此，煤矿供配电系统易发生单相漏电故障。单相漏电易产生电火花，有引爆瓦斯的可能性。因此，特殊的煤矿生产环境需要高可靠的单相漏电检测技术。准确识别故障区段并隔离故障，可保证对非故障区域特别是重要负荷的电能供给，有利于煤矿安全生产。

1.2 单相漏电故障区段定位价值

目前，煤矿电网高压部分的电压等级一般为10 kV或6 kV，煤矿井下供电系统为全电缆网络，供配电结构多为干线串级结构，具有多分支、短电缆、多段数、多级数的特点。同一等级电压线路通常要穿越多个变电所才能到达采区。

在煤矿电网发生单相漏电故障后，通过选择性单相漏电保护找出故障馈线，再对故障馈线的故障区段进行自动定位并快速隔离故障，可缩小停电范围，对维持重要设备的运转至关重要。

随着智能馈电开关、千兆高速环网等技术设备在煤矿井下的应用，电网的运行信息可实时动态获取，为利用电网运行状态信息进行故障自动区段定位提供了条件。

实现单相漏电区段自动定位的基础性研究内容主要包括单相漏电故障过程机理、单相漏电故障信号处理及特征规律、单相漏电故障自动定位方法。

2 单相漏电故障的过程机理研究

明确故障过程机理是获得故障特征的前提，也是研究故障处理方法的基础。在故障机理模型的基础上获得特征信号的数学解析表达式，以便于构造判据，确定单相漏电故障发生的区段。下面对单相漏电故障机理模型及其存在的问题进行总结，并对故障机理模型的研究提出建议。

2.1 单相漏电故障机理模型

(1) 故障稳态过程序网络模型。采用对称分量法对稳态过程进行建模，将系统分解为传统频域内的正序网络、负序网络及零序网络。通过分析故障网络，获得故障物理量的数学解析表达式，如零序电压、零序电流等与系统电压、电网参数之间的数学关系。

(2) 故障暂态过程序网络模型。采用卡伦鲍尔变换对暂态过程进行建模，将系统分解为1模、2模和0模网络[1]。其中0模网络即常说的零序网络，0模电流暂态特征常被用于辨识故障。

(3) 暂稳态一体化序网络模型。文献[2]利用瞬时对称分量法对矿井电网单相漏电暂稳态一体化建模，实现了稳态过程和暂态过程的统一建模。利用瞬时对称分量法将系统分解为瞬时实部网络、瞬时虚部网络、瞬时零序网络。瞬时零序网络结构与卡伦鲍尔变换条件下的0模网络一致。

2.2 单相漏电故障机理模型存在的问题

(1) 若采用不同的变换方法对稳态过程和暂态过程进行建模，除0模和零序网络意义相同外，其他序网络的意义不同。暂稳态建模方法的不统一，导致后续故障信号不一致。而故障过程本质是暂稳态一体的持续和变化过程。因此，暂稳态一体化的瞬时序网络模型还需进一步研究。

(2) 稳态特征适用于中性点不接地的系统，在经消弧线圈接地的系统中稳态特征存在盲区。

(3) 故障的建模与机理分析主要以选漏为目的，单相漏电故障过程的建模与分析研究只能选出单相漏电故障馈出线。而要确定某馈出线中的单相漏电故障区段，需分析故障馈线的故障点上下游关系。

(4) 单相漏电故障精确建模较为复杂。

2.3 单相漏电故障机理模型的研究建议

(1) 现代故障建模机理的深入研究应同时考虑故障定位与选漏要求，从可观测点的网络分布角度研究建模。

(2) 将暂态过程与稳态过程进行一体化精确建模，检测及探索更多可利用的故障特征。

(3) 探索数据驱动的故障过程研究。现有的单相漏电故障研究以建立电路模型为主要研究方式，属于模型驱动的研究方式。随着物联网、智能检测、人工智能技术的发展，更多故障数据可以被录波、存储和获取，因此，可基于故障数据挖掘探究故障过程机理。

3 故障信号处理方法及故障特征规律

故障信号处理方法及故障特征规律是故障区段定位方法建立的依据。目前故障信号处理方法及故障特征规律研究常用于故障选线和测距中。稳态特征易受系统消弧线圈的影响，而暂态特征不受系统消弧线圈的影响。因此，目前研究主要集中于对暂态过程中故障特征的提取。暂态零序电流波形复杂，频谱丰富，目前常用各种现代信号分析方法对暂态零序电流进行分析。

3.1 故障信号处理方法分析

(1) 小波(包)分析法。应用小波与小波包分析法提取暂态零序电流故障特征，通过小波分析获得信号的时频特性。利用小波(包)算法提取暂态零序电流的幅值、极性、特征频带能量等信息，实现故障选线和故障测距。小波(包)分析法的缺点是没有成熟的选择最佳小波函数的方法[3]。

(2) 其他分析方法。暂态过程机理复杂，信号非规整，含有的频谱丰富，文献[4-9]利用现代信号分析方法分析暂态零序信号，获得故障暂态特征规律，如幅值、极性、能量、信息熵、直流分量、相关性、波形差异性等。prony算法在提取含衰减因子各次谐波方面有优势，但该算法需要迭代与拟合，对高频信号拟合效果欠佳[4]。利用数学形态学滤波特性，可辅助小波分析能量选线，但结构元素的选取对滤波效果的影响需进一步研究。文献[5]利用希尔伯特-黄(HHT)变换提取零序电流行波波头的极性选线，但HHT变换分析信号的边界条件处理比其他方法复杂。文献[6]利用S变换良好的时频局部化特性，计算能量集中的频段，可实现故障选线。文献[7]将矩阵束算法应用于处理特征信号检测故障。文献[8]提出了信号距离度的模型，分析零序信号的差异性，实现快速单相漏电保护。文献[9]利用改进FastICA盲源分析辨识故障特征选线。

3.2 故障特征规律研究存在的问题

(1) 特征规律缺乏普适性。现有特征规律是模型驱动下的规律，是定性的特征规律，缺乏严格的理论证明，不具有各种故障条件的普适性。

(2) 现有故障特征规律研究主要以选线和测距为目的，对于故障上下游各区段的信号特征及其分布的研究较少。

(3) 获得的故障特征规律主要针对永久性故障，对电弧型故障研究较少。

(4) 提取的信号特征存在混叠。

(5) 可用于故障辨识的信号有限。

3.3 故障特征规律研究建议

(1) 借鉴地面配电网故障特征研究方法和成果，对煤矿全电缆网络单相漏电的特征规律进行研究。

(2) 对电弧性故障机理及其特征规律、随机干扰因素的影响进行研究，更好地获得特征规律。

(3) 对实用有效的信号分析和特征提取算法进行研究。

4 单相漏电故障自动区段定位方法

目前，单相漏电故障区段定位方法研究主要依据故障零序电流特征展开，包括基于稳态量的方法和基于暂态量的方法。

4.1 基于稳态量的单相漏电故障区段定位方法

基于稳态量的单相漏电故障区段定位方法根据零序电流的大小、相差等稳态过程中的故障特征进行单相漏电故障区段定位。文献[10]模拟采集零序电流值进行定位。文献[11]利用图和树结构标志及零序稳态电流相位实现了中性点不接地系统的定位。文献[12]构造基波零序电流故障方向测度定位，解决了中性点不接地系统单相接地故障定位问题。

4.2 基于暂态量的单相漏电故障区段定位方法

基于暂态量的单相漏电故障区段定位方法利用暂态零序电流行波、频谱能量、脉冲突变量、脉冲极性波形相似性等进行定位。文献[13]利用零序电流行波实现定位，但单端行波法可靠性不高，难以识别故障点反射波[14]，行波法仅适用于分支少、结构简单的中压配电线路，且需要较高的采样频率[15]。文献[16]采用小波包分解暂态零序电流，利用信息熵度量频谱能量，对应熵最大的线路段为故障区段，该方法在不同故障点、不同故障角、不同接地电阻条件下均可实现故障定位，但最佳小波函数的选择难度较大。文献[17]基于广义S变换能量相对熵进行故障区段定位，但在提取更具分辨能力的信号特征量方面有待进一步改进。文献[18]以广域同步测量为基础，利用暂态零序电流脉冲突变与极性相反的特点实现煤矿电网故障区段定位，但电流突变法对弧光和间歇性接地故障效果差。文献[19]提出利用暂态零序电流在暂态零序电压上的投影分量特征实现故障区段定位，解决了高阻接地问题。文献[20]提出了DS证据理论融合暂态零序电流差异性、相关性、灰色关联性的单相漏电保护方法，突破了单一特征方法的局限性，提高了容错性。

4.3 单相漏电故障区段自动定位方法存在的问题

(1) 《煤矿安全规程》规定，井下高压电网必须将接地电流限制在20 A以下，煤矿电网装设了消弧线圈来限制电流大小。稳态特征易受消弧线圈的补偿作用影响，导致区段定位不准。

(2) 暂态特征衰减快且不稳定，对电压过零、高阻接地等故障无法实现定位。

(3) 影响单相漏电故障特征的因素较多，且零序电流特征本身也存在缺陷，导致单相漏电故障区段定位方法存在局限性。

(4) 单相漏电故障特征微弱且易受不稳定故障电弧及随机因素的干扰，因此，定位方法的准确性易受不稳定电弧及随机因素的影响。

(5) 煤矿电网单相漏电故障机理复杂，故障特征受网络结构、故障合闸角、线路长度、故障点的位置、接地电阻大小等多种复杂因素影响，导致现有故障识别方法适应性不足。

4.4 单相漏电故障区段自动定位方法研究建议

(1) 采用模式识别、人工智能、数字孪生[21]等新兴技术，探索适用于不同中性点运行方式的小电流接地系统故障区段定位方法，消除消弧线圈对故障识别的影响。

(2) 对于微弱且复杂的故障信号，研究专用于单相漏电信号检测的高精度传感器，实现信号检测的准确获取。

(3) 单相漏电故障区段定位方法与装置研究必须适合煤矿电网特点。煤矿电网线路全为电缆且井下生产环境特殊，对矿井电网的故障自动区段定位装置要求更高。

5 结语

故障区段定位对于煤矿电网的安全运行及煤矿安全生产具有重要意义。分析了单相漏电故障区段自动定位研究的必要性。对单相漏电故障机理模型、现有故障特征信号处理方法、基于稳态量及暂态量的单相漏电区段定位方法进行了介绍，对存在的问题进行了总结，并给出了研究建议。煤矿单相漏电故障区段定位可考虑与目前的防越级跳闸装置进行一体化设计，从而实现各种类型故障的防越级跳闸。