張 華

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電管理處 ，山西 大同 037003）

0 引言

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定礦井的變電所高壓饋電線路上嚴(yán)格具備具有選擇性的單相接地保護(hù)裝置；向井下移動(dòng)變電站和電動(dòng)機(jī)供電的高壓饋電線路上安裝具有選擇性動(dòng)作與跳閘的單相接地保護(hù)裝置。目前煤礦井下高壓漏電保護(hù)主要存在的問題是沒有選擇性，故障選線不準(zhǔn)確，誤判現(xiàn)象嚴(yán)重，容易引發(fā)漏電越級(jí)跳閘。上述問題主要表現(xiàn)為某支路因發(fā)生漏電被判斷發(fā)生漏電故障時(shí)，正常支路也可能被錯(cuò)誤地判斷為發(fā)生漏電故障，常出現(xiàn)一條支路漏電、幾條支路同時(shí)漏電跳閘的現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)人員無(wú)法真正確定哪條線路發(fā)生了漏電；下級(jí)變電所某支路發(fā)生漏電時(shí)，該支路不能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷出漏電故障，導(dǎo)致故障直接延伸至上級(jí)變電所，造成上級(jí)變電所漏電跳閘，下級(jí)變電所大面積停電。上述問題在我國(guó)煤礦供電系統(tǒng)中普遍存在，給礦井安全生產(chǎn)和供電帶來嚴(yán)重隱患。

煤礦高低壓電網(wǎng)中發(fā)生上述問題的原因可以概括為①某條支路發(fā)生漏電故障時(shí)，整個(gè)高壓電網(wǎng)變壓器下的所有支路都有零序電壓和零序電流。②故障信息雜亂無(wú)章，沒有一定的規(guī)律性。③故障暫態(tài)過程時(shí)間較短，故障信息中包含大量低頻、高頻成分。④故障支路的50Hz基波含量因被消弧線圈補(bǔ)償而使基于零序功率的方向原理失效[1]。

1 煤礦井下高壓漏電保護(hù)方法

目前，煤礦井下實(shí)現(xiàn)高壓漏電保護(hù)的方法有高爆開關(guān)中的綜合保護(hù)器、選擇性漏電保護(hù)裝置和電力監(jiān)控防越級(jí)跳閘系統(tǒng)。

1）高爆開關(guān)中的綜合保護(hù)器。高爆開關(guān)中的綜合保護(hù)器實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的基本原理是通過采樣本支路的零序電壓、零序電流，采用零序功率方向原理，判斷該支路是否發(fā)生漏電[2]。當(dāng)零序電壓、零序電流都超過整定值時(shí)，即判斷發(fā)生漏電故障。其不足和缺陷是①發(fā)生接地故障時(shí)，由于消弧線圈抵消掉故障支路中的基波含量，使得基于零序功率方向原理的漏電保護(hù)選線方法失效；②僅僅依靠零序電壓、零序電流判斷是否發(fā)生漏電，沒有與其他支路比較判斷，有很大的局限性。

2）選擇性漏電保護(hù)裝置。目前現(xiàn)有的一些廠家雖然有高壓選擇性漏電保護(hù)的防爆證和煤安證，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況都不是很理想，存在選線正確率低、誤判現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。分析存在上述問題的主要原因是：①采用基于50Hz的常規(guī)零序電流互感器，故障信息被消弧線圈補(bǔ)償，未被補(bǔ)償?shù)墓收闲畔⑽⑷?，丟失掉很多高低頻的故障信息；②硬件結(jié)構(gòu)沒有實(shí)時(shí)同步采樣功能。采用AD+CPU而不是FPGA+AD+CPU的硬件結(jié)構(gòu)，沒有光纖接口，不能和電力監(jiān)控供電系統(tǒng)相融合；③采用的漏電選線原理過于單一，單純依靠某一種原理判斷漏電故障[3]。

3）電力監(jiān)控防越級(jí)跳閘系統(tǒng)。電力監(jiān)控系統(tǒng)主要是為了防止因短路而造成的越級(jí)跳閘，雖然帶有漏電保護(hù)的功能，但是仍不能解決高壓選擇性漏電保護(hù)的問題，時(shí)常出現(xiàn)誤跳現(xiàn)象。電力監(jiān)控系統(tǒng)一般通過更換高爆中的綜合保護(hù)器，通過光纖和分站、地面的監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接來實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)。

圖1 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)電力監(jiān)控原理圖

分析其原理圖可知，每個(gè)綜合保護(hù)器采樣本支路的零序電壓、零序電流，本支路漏電判斷結(jié)果通過光纖傳送到分站，分站傳送到地面主機(jī)，由主機(jī)綜合判斷實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)功能。

2 漏電選線原理分析

目前電力監(jiān)控系統(tǒng)中采用的漏電保護(hù)原理主要是注入信號(hào)法、模式識(shí)別法、零序?qū)Ъ{法和有功分量法[4]，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)功能，但都因存在一些缺陷而很難作出準(zhǔn)確的判斷。

1）注入信號(hào)法。注入信號(hào)法首先根據(jù)零序電壓大小是否超過定值，超過定值后，通過電壓互感器注入某一特定低頻率的電流信號(hào)并通過接地點(diǎn)返回注入系統(tǒng)而形成回路，利用與之匹配的信號(hào)電流探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。此方法雖然原理簡(jiǎn)單，但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況并不理想，主要原因是①注入的信號(hào)因變壓器功率小而十分微弱，準(zhǔn)確測(cè)量的難度較大；②如果故障線路的接地電阻較大，則故障支路和非故障支路的差別不是很明顯；③需要額外增加信號(hào)附加裝置，增加成本。

2）模式識(shí)別法。模式識(shí)別法首先假設(shè)電網(wǎng)中的所有同級(jí)線路都為非故障支路，然后列出每條支路的微分方程并求解出未知參數(shù)，如果求解出的參數(shù)符合模型中的設(shè)定值，則判斷為非故障支路；如果求解出的參數(shù)不符合模型中的設(shè)定值，則判斷為故障支路。該方法與所建立的方程有較大聯(lián)系，每一條支路都要建立微分方程，解方程較為復(fù)雜；在方程處理上用差分方程代替微分方程，為保證算法精度又需要其有較高的采樣頻率，運(yùn)算復(fù)雜，選線正確率低。

3）零序?qū)Ъ{法。零序?qū)Ъ{法利用中性點(diǎn)的位移電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)出各線路的對(duì)地導(dǎo)納系數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)處于故障狀態(tài)時(shí)，通過比較故障前后的導(dǎo)納系數(shù)變化判斷故障支路。這種方法主要用于高阻接地故障檢測(cè)，信號(hào)處理技術(shù)復(fù)雜，測(cè)量變送通道要求的靈敏度和精確度高[5]，目前很難得到可靠的基波電流向量，同時(shí)消弧線圈又補(bǔ)償?shù)艋ê?，因此該方法檢測(cè)故障的精度很低。

4）有功分量法。當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，故障支路和正常支路的零序電流有功分量方向相反，利用這一特點(diǎn)可以進(jìn)行選線。但是高阻故障線路的故障電流本身就很小，從中能夠提取到的有功分量更小，因此故障選線容易誤判。

3 高低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)技術(shù)

準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)高壓選擇性漏電保護(hù)的前提是能夠同步實(shí)時(shí)采集變電所內(nèi)所有支路的零序電壓、零序電流，且必須保證采樣信息的完整性，不丟失掉故障時(shí)的高低頻故障信息。

選擇性漏電保護(hù)的原理是相電壓過零點(diǎn)附近發(fā)生故障的選線判據(jù)是基于衰減的直流分量法，相電壓最大值附近發(fā)生故障的選線判據(jù)是首半波法、暫態(tài)脈沖極性法和小波包分頻法[6]。

1）衰減直流分量法。如果故障發(fā)生在相電壓過零點(diǎn)的附近，則故障支路暫態(tài)信息中的高頻分量不明顯，但衰減直流分量較大，而未發(fā)生故障的支路幾乎不含有衰減直流分量，且未發(fā)生故障的支路的零序電流均為負(fù)值。

2）首半波法。如果故障發(fā)生在相電壓的最大值附近，則在故障初期的0～5ms內(nèi)，故障支路和非故障支路的脈沖方向相反。

3）暫態(tài)脈沖法。如果故障發(fā)生在相電壓的最大值附近，則在故障初期的0～5ms內(nèi)，故障支路的暫態(tài)脈沖幅值比非故障支路的大很多。

4）小波包分頻法。如果發(fā)生單相接地故障，則故障信息中會(huì)含有大量的高頻成分，通過FPGA高速同步采樣零序電流，利用小波包進(jìn)行多重分解，非故障線路中的零序電流高頻分量投影到小波包頻段上后呈現(xiàn)相同的波形變化特征，而故障支路則呈現(xiàn)相反的波形變化特征。

高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦地面和井下的所有變電所漏電故障，該系統(tǒng)主要包括位于井下變配電所的本地保護(hù)裝置和位于地面中控室監(jiān)控室內(nèi)的區(qū)域保護(hù)裝置。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

高低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的高壓選擇性漏電保護(hù)，給煤礦安全生產(chǎn)和安全供電提供了技術(shù)保障，對(duì)促進(jìn)我國(guó)煤炭企業(yè)安全高效發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。