基于暂态信号的接地选线方案在煤矿保护装置的应用研究

陆 帅，李 峰，卞林林，隋翔龙

(南京磐能电力科技股份有限公司，江苏 南京 210000)

目前，我国煤矿井下6 kV供电网一般为小电流接地系统，受矿井工作环境恶劣、瓦斯粉尘积聚、滴水潮湿等因素影响，井下输电线路和其他一次电气设备易发生单相接地故障。单相接地故障时，非故障相电压的升高可能导致绝缘破坏，进而引起相间短路。同时，单相接地故障会产生电弧或释放火花，引起瓦斯、煤尘爆炸，给煤矿安全生产带来极大隐患。因此，为确保井下作业安全，井下供电网发生单相接地故障时应尽快进行故障定位、隔离。

受空间不足、安全防护要求等多方面因素影响，煤矿井下6 kV供电网不宜配置专用的小电流接地选线装置，研究配置高性能小电流接地选线功能的井下线路保护装置对确保井下工作人员的人身安全和矿井的安全生产具有重大意义。

1 小电流接地选线原理简介

小电流接地选线按其工作原理可分为基于稳态信号的选线原理、基于暂态信号的选线原理。

1.1 基于稳态信号的选线原理

基于稳态信号的选线原理包括零序功率方向法、谐波法。

现阶段，矿用保护装置的选线功能多数基于稳态原理，煤矿井下配电网一般采用中性点经消弧线圈的接地方式，且是过补偿状态，受消弧线圈补偿的影响，基于稳态信号的选线原理在实际使用中选线效果不理想。

1.2 基于暂态信号的选线原理

基于暂态信号的选线原理包括暂态能量法、小波变换法、首半波法 。

相对于基于稳态信号的选线原理，基于故障暂态信号的选线原理具有灵敏度高且不受消弧线圈影响的优势。20世纪国内外已经开始对暂态信号的选线原理进行了研究，国内先后研发了几代产品，受当时的技术水平影响，配置在线路保护装置的暂态接地选线原理一直未得到广泛的应用。近年来嵌入式技术、微电子技术的发展，为暂态信号小电流接地选线技术在线路保护装置的应用创造了条件。

2 暂态首半波能量选线原理

2.1 启动继电器

暂态首半波能量法需要确定故障起始点，利用故障开始半个周波的电压、电流进行选线判断。采用零序电压、零序电流突变量原理，快速确认故障起始点、识别故障。

零序电压突变量启动判据：

Δu0(t)>u0set+k1Δu0T

(1)

零序电流突变量启动判据

Δi0(t)>I0set+k1Δi0T

(2)

其中：

u0set、i0set分别为零序电压突变定值、零序电流突变定值；

Δi0(t)为电流突变量，Δi0(t)=||i0(t)-i0(t-T)|-|i0(t-T)-i0(t-2T)||；

Δu0(t)为电压突变量，Δu0(t)=||u0(t)-u0(t-T)|-|u0(t-T)-u0(t-2T)||；

Δi0T为零序电流突变量浮动门槛，取上一个周波的零序电流突变量；

Δu0T为零序电压突变量浮动门槛，取上一个周波的零序电压突变量；

k1为浮动门槛的可靠系数，取1.25；

T为采样同期。

零序电流突变量Δi0(t)连续M个采样点中有N个采样点满足式(2)，零序电流突变量启动元件动作。零序电压突变量Δu0(t)连续M个采样点中有N个采样点满足式(1)，零序电压突变量启动元件动作。任意一个突变量启动元件动作时，则认为检测到故障，启动暂态首半波能量法判断。

同时设置零序电压突变量、零序电流突变量两个启动继电器，可以保证在较大过渡电阻时有较高的灵敏性，保证接地选线的准确率。

2.2 暂态首半波能量法

2.2.1 传统首半波法原理。故障线路零序电压与零序电流在暂态首半波内极性相反，非故障线路、故障点下游线路极性相同(见图1)。零序电压与零序电流仅在暂态首半波呈反极性关系，受软件故障识别灵敏度、采样率等多方面影响，传统首半波法原理的实际选线效果一直不高。

大量研究证明，在SFB(Selected Frequency Band)频率段内，故障线路和非故障线路其阻抗呈容性，超出频段时，阻抗特性较为复杂，不好确定。对零序电压、零序电流进行滤波处理，保留固定频段分量，滤波处理后故障线路零序电压导数与零序电流极性一直相反，而非故障线路、故障点下游线路极性相同，如图1所示。

图1 故障线路暂态波形比较

定义参数变量qk(t)为：

qk(t)=i0(t)*du0(t)/dt

(3)

对于非故障线路qk(t)大于0，故障线路有qk(t)小于0。

对参数变量qk(t)从故障起始时刻开始进行积分，得到参数变量Eq为：

(4)

其中，T1为积分结束时刻，标准时间为T/2。

显然，非故障线路Eq大于0，故障线路Eq小于0，为防止在保护程序计算过程中误差引起误判断，因此保护判断可定为：

Eq

(5)

其中，Ez为固定门槛值。

2.2.2 暂态首半波能量法原理。零序电压、零序电流进行频带滤波处理后，故障线路零序电压导数与零序电流在故障首半波的乘积积分小于0，而非故障线路、故障点下游线路大于0。

暂态首半波能量法接地选线保护算法如图2所示。

图2 暂态首半波能量法接地选线保护算法

3 试验与验证

将研制的11台井下线路保护装置安装在晋能控股煤业集团石窑煤矿的中央变电所，变电所一次主接线如图3所示，变电所共两段母线，中性点经消弧线圈接地，每段母线4条出线，接地电流均在20 A以内，所有线路均为电缆线路。现场对每条线路进行相应的接地模拟实验，共记录到47次故障以及对应波形数据，所有线路保护装置的动作行为全部正确。

图3 石窑煤矿中央变电所主接线图

对现场波形数据进行分析，Ⅰ母线路区内故障参数变量Eq如图4所示，从图中可以看出，区内故障Eq明显小于0，不受消弧线圈影响。现场装置采用3 200 Hz的采样率，采样精度为保护装置标准要求精度，在不改变现有保护装置采样率和采样CT配置的情况下，配置暂态首半波能量法的线路保护装置可实现高性能的接地选线。

图4 石窑煤矿出线参数变量Eq

4 结束语

集成基于暂态首半波能量法的小电流接地选线功能的矿用线路保护装置可实现井下配电网间隔的接地选线功能，不受不稳定电弧和消弧线圈的影响，灵敏度高，可靠性好，不增加硬件成本，后期维护成本低，有望解决长期困扰煤矿供电部门的小电流接地选线难题。