基于多点电流电压信号的矿用照明供电系统短路保护研究

王红磊，卢其威

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

矿用照明综合保护装置(以下简称：照明综保)主要用于煤矿井下照明负载、信号负载以及监控设备的供电和保护。现在一些矿井不断实施亮化工程，照明巷道灯之间的间距往往小于10 m[1]，因此所需的照明负载越来越多，容量要求不断增大供电距离也不断加长，随着负载增多和供电距离延长，当照明供电线路在远端出现短路故障，故障电流变化并不明显，不能及时切除短路故障，短路点很容易形成电弧，造成电气火灾，影响着煤矿安全生产和供电安全。目前照明综保的短路保护主要是通过对线路出口端的电流信号进行检测，线路在远端发生故障，由于电流变化不明显，这种检测方法很容易出现误判漏判现象。

现有的短路故障快速检测技术主要包括特征量法、峰值预测法、图形判据法、小波变换法、基于锁相环的检测等5类方法[2]。国内外也有把机器学习等智能算法应用到短路故障检测，如用于检测感应电机短路的嵌入式应用的机器学习和多分辨率分解[3]和基于机器学习算法应用的凸极同步发电机短路故障检测[4]；基于图像处理和深度学习方法的变压器绕组匝间短路故障定位[5]；基于黑洞粒子群和多层级SVM的低压交流系统短路故障类型辨识[6]。

实际上，当线路远端出现故障时，由于电流并不大，对短路保护的快速性要求并不需要很高。主要是容易造成故障电弧，因此准确检测出短路故障，做出保护尤为重要，避免造成更严重的危害。文献[7]提出通过对三相电压降低构建故障识别判据；也有基于融合多种时频域故障特征的短路保护[8，9]，文献[10]基于复合序网中的负序网络的单相接地故障保护；以故障状态与非故障状态下的正序阻抗比构建故障定位判据，线路故障内部电压与电流变化与故障前不同，进一步分析要想准确检测线路发生的故障，就要对其内部进行检测[11，12]。上述方法都是基于电厂或电网电压等级较高的系统，进行短路保护，对于矿下低压照明供电系统不太合适，针对矿下低压照明供电系统，提出一种新的方法检测，检测不同位置多点电流信号保护方法，此方法的优势在于可以精准的检测出供电线路的短路故障发生，通过对比故障点前后电流大小，判断出故障发生的区域，配合相关保护装置做出保护，也可以辅助后期维修人员的检修，缩小检修范围。

1 保护原理和特征分析

1.1 保护原理

本研究所提出的基于检测不同位置多点电压和电流信号照明综合保护装置短路保护方法。其原理就是短路后照明线路结构发生变化，这种结构发生变化就会引起故障点前后检测装置检测的电压和电流发生不同的变化。照明供电系统等效电路如图1所示，假设照明供电线路总长1500 m，在照明供电线路的前端(第一个照明负载之前的一段线路)安装电压电流检测装置1；在600 m处安装电流检测装置2；后端(最后一个照明负载前的300 m处)安装电流检测装置3；Z1～Zn是每个照明负载之间线路上的等效电阻。

图1 照明供电系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit of lighting power supply system

图2 三相短路故障等效电路Fig.2 Equivalent circuit of three-phase short-circuit fault

假设在检测装置2和检测装置3之间发生短路故障，短路故障点前的检测装置2所检测的电压和电流大小和相位会都会发生变化，通过集中监控设备对比故障前后电压电流信号的变化量就可以判断出短路故障的发生。进一步分析短路故障点后检测装置3的电流和电压变化量会呈现不同于检测装置2的变化，因此分析检测装置2和3的故障前后的电压电流变化量，便能定位故障发生的区块，同时也可以判断出发生的短路故障类型。同样无论短路故障发生在照明供电线路何处，安装在不同位置的检测装置都能依据故障点前后所检测到的电压电流变化量进行故障判断。通过研究发现短路故障发生的类型和短路故障发生的位置都会使其前后电压电流产生不同的变化，利用这些安装在照明供电线路不同位置的检测装置，实时测量被保护线路的电压和电流，传输到集中监测终端，在集中检测终端进行数据处理，并将所测电压和电流信号分别与各自前一个周波的电压电流信号进行对比，依据故障点前后电压和电流的变化量进行故障分析和判断。

1.2 特征分析

1.2.1 三相短路故障分析

三相短路虽然发生的概率最小，但却是影响最严重的故障类型[15]，可以通过构造故障前后电气量信息构造方程组，分析出发生短路故障后故障点前后检测点电压和电流的变化。

在照明线路d点设置三相短路故障。三相短路故障出现在照明线路前端时，故障特征明显，比较容易判别。在中后段时通过检测前端处的电压和电流的变化，故障特征不明显很难识别出故障，但是通过检测内部电流电压变化依旧可以准确判别短路故障。假设在照明供电线路d点(即第d台处巷道灯发短路)发生三相短路故障。

由于发生三相短路故障与正常工作时，线路的电压和电流是一种对称关系，A相、B相、C相电流依此相差120。因此单独分析一相线路即可推出其余相电压电流，A相供电线路正常工作时，检测装置2处的线路的线电流Ia2。

检测装置3处的线路的电流为Ia3。

Uaj，Ubj，Ucj(i=1，2……n)为不同距离位置巷道灯上的相电压；ZLED是每个照明负载的等效阻抗；

1.2.2 两相短路故障

假设在d处发生两相短路故障[16]，照明供电系统发生两相短路时的等效电路图3所示。

图3 两相短路故障等效电路Fig.3 Equivalent circuit of two-phase short-circuit fault

1.2.3 两相短路接地故障

假设在d处发生两相接地短路故障[17]，照明供电系统发生两相接地短路时的等效电路图4所示。

图4 两相接地短路故障等效电路Fig.4 Equivalent circuit of two-phase short-circuit ground fault

矿下照明供电系统是中性点不接地系统，两相相接地短路故障和两相短路故障，电流分析一致，但是相电压变化不同。两相相接地短路故障非故障线路的相电压电压升高成线电压，两相短路接地故障点处接地电压降为零，假设在A、B两相发生短路接地故障，A、B故障相线路检测装置1处的电压会下降，C相检测装置1处电压会上升，通过检测装置1电压变化量对比可以区别出两相短路故障和两相短路接地故障。

1.2.4 单相接地故障

矿下照明供电系统系统是中性点不接地系统，出现单相接地故障时，不会对线路内的负载造成影响，但是单相接地会使其余线路相电压升高，如果没有及时处理，可能会造成更严重的危害，对于区分故障的类型和故障位置对于矿下安全也很重要[18]，单相接地故障线路如图5所示。

图5 单相接地故障等效电路图Fig.5 Equivalent circuit of single-phase ground fault

单相接地故障发生后，照明线路电流不受影响，但是故障点相电压降为零伏，故障点前的电压也会出现大幅度下降，可以通过电压检测装置1的电压下降值，作为单相接地故障判断依据。

2 仿真验证

验证上文所提出照明综合保护装置短路保护方法使用MATLAB/Simulink平台搭建了煤矿井下供电系统短路故障仿真模型[19]。该模型包含线路的等效模块、巷道灯的仿真模块、短路故障模块。系统参数设置[20]：照明供电全程线路1500 m；供电电压127 V，频率50 Hz；在初始端设置电压电流检测检测装置1，600 m处设置电流检测检测装置2；1200 m处设置电流检测检测装置3；把短路模块设置在900 m处，在0.05 s后发生不同类型短路故障，然后通过不同位置的检测点检测故障点的电压和电流的变化，验证上文的推论，并验证所提出的方法可行性。

2.1 三相短路故障仿真验证

三相短路故障发生后，三个不同电流检测位置电流变化如图6所示。

图6 三相短路故障不同检测点电流变化Fig.6 Current changes at different detection points in three-phase short-circuit faults

由图6可知三相短路故障后可以发现短路故障前后电流的变化很大，故障点前的电流检测装置1和2检测到电流则快速增大，是原来的电流数倍，故障点后的电流检测装置3检测到电流迅速会降至为零。通过电流变化量构建三相短路判据，验证了上文的推论，通过不同位置的电流检测装置，精准检测出三相短路故障的发生。

2.2 两相短路故障仿真

设置AB两相发生短路故障，三个不同电流检测装置检测到的电流变化如图7所示，电压检测装置1处电压变化如图8所示。

图7 两相短路故障不同检测点电流变化Fig.7 Current changes at different detection points in two-phase short-circuit faults

图8 两相短路故障装置1处电压变化Fig.8 Voltage change at the two-phase short-circuit fault device 1

由图8可知当两相短路故障发生后，故障点前端电流检测装置1和2会检测到电流会迅速增大，故障点后端电流检测装置2检测到的故障线路A和B的电流大小相同，有一定程度下降，而电压装置1处相电压不变。故可以通过不同位置的电流检测点前后端电流变化作为故障发生的特征，通过电压装置1处的电压变化可以区别发生的故障类型。

2.3 两相短路接地故障仿真

设置AB两相发生短路接地故障，电压检测装置1处检测检测到的相电压变化如图9所示。

图9 两相短路接地故障检测装置1处电压变化Fig.9 Voltage change at the two-phase short-circuit grounding fault detection device 1

通过仿真验证，对比图8和图9，AB两相短路故障和AB两相短路接地故障在电压检测装置1处电压，可以看出有着明显不同，通过检测装置1处的相电压变化可以进行故障类型的区别。

2.4 单相短路接地故障仿真

设置A相线路在0.05 s时发生短路接地短路故障，电压检测装置1处检测到的电压变化如图10所示。

图10 单相短路接地故障检测装置1处电压变化Fig.10 Voltage change at the single-phase short-circuit grounding fault detection device 1

单相短路故障发生在900 m时，由于矿下照明供电系统是中性点不接地系统，对线路电流不会造成太大影响，由图10可知，故障线路在电压检测装置1处相电压会下降，非故障相升为线电压，通过检测相电压变化，可以判断是否发生单相接地故障。

3 结 语

本研究通过照明供电系统发生远端短路故障后前后电压电流变化分析，发现不同故障类型在故障点前后相电压和电流变化有着明显的不同，提出一种基于多点基于检测不同位置多点电流信号照明综合保护装置短路保护方法。通过仿真验证了此种方法的可行性。此种方法的优势：由于所提取的故障特征量具有很好的故障辨别能力，故障前后电压电流差异很大，可以精准的检测出照明线路发生远端短路故障，而且不受限于照明线路故障发生的距离，也可以做到故障区分和故障区块定位。此方法也可以结合目前照明综保中的漏电、电弧的检测方法，做到更为精准快速的保护。