霍耀佳,馬莉,李曄,吳楊,韓利
(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏銀川 750011)
煤礦作為一級負(fù)荷,保證其安全生產(chǎn)尤為重要。由于煤礦井下環(huán)境惡劣,空氣潮濕,隨著開采的深入,井下溫度與濕度都將越來越高[1],如果電氣設(shè)備和電纜長時間工作于這種環(huán)境下,其絕緣必然會因受潮而加速老化,導(dǎo)致電網(wǎng)對地絕緣電阻急劇降低,尤其是處于采掘工作面的電纜,受到擠壓或者碰撞的概率較大,更容易造成漏電事故,在漏電故障類型中,單相漏電故障發(fā)生的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的漏電,約占70%左右[2]。由于我國煤礦井下低壓供電系統(tǒng)全部為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),而中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng),發(fā)生接地故障后特征量的量值比較小,容易造成漏電裝置判不出來或者誤判,從而產(chǎn)生誤動、拒動,一旦發(fā)生單相漏電故障,如果不能及時識別并切除故障,極易引發(fā)人身觸電傷亡、瓦斯和煤塵爆炸等重大煤礦安全事故[3]。長期存在的漏電流還會加劇電纜絕緣的惡化,直至發(fā)生單相接地、兩相短路等電網(wǎng)事故,嚴(yán)重威脅礦井電網(wǎng)的運(yùn)行安全。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中規(guī)定,井下低壓饋電線上,必須裝設(shè)檢漏保護(hù)裝置或者有選擇性的漏電保護(hù)裝置,保證自動切斷漏電的饋電線路。煤礦井下應(yīng)用最廣泛的附加直流檢測式漏電保護(hù)方法由于不具有選擇性,在發(fā)生漏電故障后,需要斷開與之相關(guān)的所有線路,大大影響了煤礦井下的正常生產(chǎn)和通風(fēng)[5]。為使系統(tǒng)在發(fā)生漏電后準(zhǔn)確進(jìn)行絕緣檢測并且能夠可靠切除故障線路,從而減小停電面積,因此研究礦井低壓供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)方法具有重要的理論意義和實(shí)用價值。
礦井1 140 V 低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。DW0為采區(qū)變電所的低壓總自動饋電開關(guān),DW1-DW3為采區(qū)變電所的分支自動饋電開關(guān),QC1-QC3為工作面配電點(diǎn)的電磁起動器,M1-M3為負(fù)載。
圖1 礦井低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
對于礦井小電流接地系統(tǒng),常以1 臺移動變電站作為獨(dú)立電源帶動多條線路運(yùn)行,采用放射式和干線式結(jié)合的混合式供電方式。這種方式容易實(shí)現(xiàn)工況自動化,漏電故障發(fā)生后停電面積較小,繼電保護(hù)原理簡單,并且易于動作值的整定,同時造價較低,因此被廣泛應(yīng)用,但是各線路長短、電力設(shè)備負(fù)載不盡相同,造成了礦井供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多樣性和復(fù)雜性[6]。隨著設(shè)備容量的提升,系統(tǒng)電壓等級不斷在提高,井下低壓供電系統(tǒng)用于各采掘工作面的供電,其電壓等級主要有380,660,1 140 V。由于煤礦井下的作業(yè)環(huán)境惡劣,伴有潮濕、空間狹小等特點(diǎn),且存在瓦斯爆炸的風(fēng)險,因此輸電線路必須采用礦用電纜,且一些電力設(shè)備都要加裝隔爆外殼[7]。
根據(jù)煤礦井下電網(wǎng)的實(shí)際情況,漏電故障可分為集中性漏電和分散性漏電兩類[8]。集中性漏電,是指發(fā)生在電網(wǎng)中某一處或某一點(diǎn),而其余部分的對地絕緣水平仍然正常的漏電,分散性漏電,是指整條線路或整個電網(wǎng)的對地絕緣水平均勻下降到低于允許水平的漏電[9]。集中性漏電又分為長期集中性漏電、間歇集中性漏電和瞬間性漏電三種類型[10]。
礦井單相漏電動作整定值是根據(jù)人身觸電安全電流進(jìn)行整定的,對于交流系統(tǒng)人身能夠承受的最大電流有效值IH為30 mA,人身電阻RH通常取1 kΩ,因此在系統(tǒng)發(fā)生漏電后流過人身的觸電電流為
從而可以得到單相漏電時的動作整定R值為
對于礦井低壓供電系統(tǒng),以常用的電壓等級為例,得到單相漏電動作電阻整定值,如表1所示。
表1 不同電壓等級下的單相漏電動作整定值
由于煤礦三相交流系統(tǒng)中采用附加直流檢測式漏電保護(hù)的方法不具有選擇性[11],本文依據(jù)此現(xiàn)狀,擬向系統(tǒng)注入一低頻階躍脈沖信號,利用其表現(xiàn)在線路上的特征分量來實(shí)現(xiàn)礦井三相交流低壓供電系統(tǒng)的絕緣檢測技術(shù)和故障選線技術(shù)。
向系統(tǒng)注入的階躍脈沖信號表達(dá)式為
式中:U—階躍脈沖信號的峰值電壓,V;
T—階躍脈沖信號的周期,s。
式(3)經(jīng)快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)后可以得到輸出方波電壓信號的瞬時表達(dá)式為
由式(4)可以看出,階躍脈沖信號由正弦奇次(2n-1,n=1,2,……∞)諧波構(gòu)成,即同時含有直流和交流成分。以n≤3 為例,階躍脈沖信號的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 階躍脈沖信號的基本結(jié)構(gòu)
當(dāng)?shù)V井低壓系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時,擬向系統(tǒng)注入階躍脈沖電壓信號,利用其直流、交流分量作用于線路后產(chǎn)生的特征值實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。
由式(4)可以得到:
進(jìn)而可以得到:
由式(6)可以看出,組成階躍脈沖的基波正弦幅值是2n-1 次諧波幅值的2n-1 倍,而2n-1 次諧波頻率是基波正弦頻率的2n-1倍。
在三相交流系統(tǒng)變壓器出口側(cè)注入階躍脈沖信號,如圖3 所示。為了保證階躍脈沖信號不被原有工頻信號干擾,應(yīng)設(shè)置阻波電路,同時也需盡可能保證階躍脈沖信號最大程度地輸送到線路上,應(yīng)設(shè)置濾波電路[12]。本文采用無源LC濾波、阻波電路,如圖4所示。
圖3 階躍脈沖信號注入架構(gòu)
圖4 無源LC濾波阻波電路
為了阻擋工頻信號,應(yīng)使阻波電路對工頻信號的等效阻抗呈現(xiàn)為無窮大,即C2和L2發(fā)生并聯(lián)諧振,設(shè)工頻信號角頻率為ωg,則有
對于階躍脈沖信號,應(yīng)使濾波電路對所需階躍脈沖頻率的等效阻抗呈現(xiàn)為無窮小,即C1與C2、L2的并聯(lián)發(fā)生串聯(lián)諧振,L1與C2、L2的并聯(lián)發(fā)生串聯(lián)諧振,設(shè)需要用到基波頻率ω1和任意2n-1 次諧波頻率ω2n-1,則有
化簡可以求得C1,L1分別為
因此,所述的濾波電路對于注入階躍脈沖信號的基波與2n-1 次諧波信號的總阻抗接近于0,而對于工頻信號的總阻抗接近于無窮大,從而達(dá)到濾波和阻波兩方面的作用。
由于向系統(tǒng)注入的低頻階躍脈沖信號幅值小、頻率低,且通過濾波器的頻率均低于工頻,因此對原三相交流的影響較低,利用MATLAB 仿真軟件,通過對加入信號注入后原系統(tǒng)的線電壓進(jìn)行測量得到波形如圖5 所示,其各次諧波含量如圖6所示。
圖5 注入后交流系統(tǒng)線電壓波形
圖6 交流系統(tǒng)線電壓基波及各次諧波含量
可以看出,向系統(tǒng)注入的低頻階躍脈沖信號對原三相交流電壓幾乎無影響,波形無毛刺、成分無諧波,解決了原系統(tǒng)和注入信號之間的相互干擾問題。
向系統(tǒng)注入階躍脈沖信號后,由于濾波電路對階躍脈沖的特定頻率信號阻抗呈現(xiàn)為無窮小,因此在漏電故障發(fā)生后得到等效電路,如圖7所示。
圖7 漏電等效回路
根據(jù)電路并聯(lián)關(guān)系,可以得到階躍脈沖基波和2n-1 次諧波電壓下流過故障線路的電流有效值Ig和非故障線路的電流有效值Ifg1,Ifg2。
階躍脈沖基波作用下:
階躍脈沖2n-1次諧波作用下:
設(shè)Kg=Ig(1)/Ig(2n-1),Kfg1=Ifg1(1)/Ifg1(2n-1),Kfg2=Ifg2(1)/Ifg2(2n-1),聯(lián)立式(10)、式(11)可得:
由式(12)可以看出,當(dāng)Rd趨近于無窮時,即未發(fā)生漏電故障時,Kg趨近于1;當(dāng)Rd趨近于0時,即發(fā)生金屬性接地故障時,Kg趨近于2n-1。
2.3.1 絕緣檢測技術(shù)
根據(jù)式(12)所示,故障線路零序電流Ig基波和2n-1 次諧波的有效值之比Kg和漏電阻Rd存在一定關(guān)系,進(jìn)而可以根據(jù)Kg反推出Rd的大小為
在漏電故障發(fā)生前,注入階躍脈沖信號的頻率,用到的諧波次數(shù)已知,各線路長度不變即分布電容一定;在漏電故障發(fā)生后,便可根據(jù)采樣零序電流基波與2n-1 次諧波有效值之比Kg實(shí)現(xiàn)絕緣檢測。
2.3.2 故障選線技術(shù)
由式(13)可以得到在漏電故障發(fā)生前后,非故障線路的零序電流基波與2n-1 次諧波有效值之比與Rd無關(guān),恒為1;而故障線路在漏電故障發(fā)生前,即Rd趨近于無窮時和非故障線路所得比值相同也為1,但在漏電故障發(fā)生后,故障線路的Kg值介于1~2n-1 之間,表現(xiàn)為大于1,因此可以得到故障選線判據(jù):
搭建基于階躍脈沖注入的1 140 V礦井低壓系統(tǒng)漏電保護(hù)仿真實(shí)驗?zāi)P停鐖D8所示。注入階躍脈沖的幅值為±24 V,頻率避開工頻信號為5 Hz,限流電阻為50 Ω,各線路對地絕緣良好,1號、2號、3號線路每相對地分布電容分別為0.3,0.8,0.5 μF。根據(jù)煤礦安全規(guī)定,結(jié)合人身觸電安全電流30 mA·s,1 140 V 三相交流系統(tǒng)的單相漏電動作整定值為20 kΩ,在1.5 s 時刻在1 號線路發(fā)生A相20 kΩ 漏電故障,分析所提出漏電保護(hù)方法的正確性與可靠性。
圖8 仿真模型
以n=3 為例進(jìn)行分析,在系統(tǒng)1 號線路(每相分布電容為0.3 μF)發(fā)生A 相20 kΩ 漏電故障前后,對故障線路首端的零序電流進(jìn)行采樣,利用FFT 對以階躍脈沖注入頻率為基的基波分量和5次諧波分量進(jìn)行提取,得到二者有效值之比如圖9所示。由圖9可以看出,在1.5 s時發(fā)生20 kΩ 漏電故障后,Kg值由1上升至1.916并達(dá)到穩(wěn)定,利用式(13)可以計算得到漏電阻值為19 988.53 Ω,與20 kΩ的相對誤差為0.06%,驗證了利用階躍脈沖的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)絕緣檢測公式的正確性。
圖9 漏電前后故障線路Kg的變化
為了驗證不同漏電阻下絕緣檢測方法的精度,在0~1 MΩ 范圍改變漏電阻Rd的大小,仿真實(shí)驗得到n=2~4 下的Kg值,并計算得到Rdj值,計算值與真實(shí)值Rd二者之間的誤差如表2所示。
從表2 可以看出,在系統(tǒng)發(fā)生兩個極端的漏電故障時,無法準(zhǔn)確檢測出漏電電阻的大小,只能識別出漏電程度,對于Rd<1 kΩ,Rd>200 kΩ 的漏電故障,由表中數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在n取不同值時存在相對誤差超過5%的情況;對于1 kΩ≤Rd≤200 kΩ 內(nèi)的漏電故障,利用式(13)可以準(zhǔn)確檢測出漏電阻值,且相對誤差在4%以內(nèi),進(jìn)一步證實(shí)了此方法進(jìn)行絕緣檢測的可行性。
表2 絕緣檢測誤差分析
圖10 所示為1 號支路A 相發(fā)生20 kΩ 漏電故障前后故障線路和非故障線路的K值變化。在漏電故障發(fā)生前,各線路K值一致,恒為1,即證明此時未發(fā)生漏電故障;在漏電故障發(fā)生后,故障線路K值上升并達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,而非故障線路無任何變化,仍然為1,故障線路Kg值在非故障線路Kfg值的上方,因此可以判定1 號為故障線路,2 號、3號為非故障線路,驗證了利用階躍脈沖特征進(jìn)行故障選線的有效性。
圖10 漏電前后各線路Kg的變化
為了驗證漏電檢測、故障選線方法的普適性,需要在不同工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗驗證結(jié)論的正確性,根據(jù)式(12)所示,Kg與漏電阻Rd、分布電容C1∑、低頻階躍脈沖頻率f和諧波次數(shù)n有關(guān),通過改變這4 個參數(shù),分析對基于低頻階躍脈沖的漏電保護(hù)方法可靠性的影響。
3.3.1Rd和C1∑對Kg的影響
首先分析線路參數(shù)的影響,Rd在0~500 kΩ 范圍內(nèi)、C1∑在0~3 μF 范圍內(nèi)變化時,設(shè)低頻階躍脈沖頻率為5 Hz,采用基波和5 次諧波分析得到結(jié)果,如圖11所示。
圖11 Rd和C1∑對Kg的影響
由圖11 可以看出,Rd在0~500 kΩ 范圍內(nèi)、故障線路總分布電容C1∑在0~3 μF 范圍內(nèi)變化時,Kg均在5~1 范圍內(nèi)變化,即Kg隨著Rd,C1∑的升高而降低,與理論計算結(jié)果一致。在Rd非常大時,分布電容對Kg的影響較小,Kg呈現(xiàn)為接近于1 的水平面。
3.3.2f和n對Kg的影響
分析注入階躍脈沖模塊中低頻階躍脈沖頻率f和諧波次數(shù)n的影響,在2~6范圍內(nèi)改變n,5~30 Hz范圍內(nèi)改變f的大小,得到其對Kg的影響,如圖12所示。
圖12(a)表明當(dāng)線路漏電阻為50 Ω,故障線路總對地分布電容為0.9 μF 時,階躍脈沖頻率f對Kg無任何影響,而諧波次數(shù)n的升高會導(dǎo)致Kg的升高,Kg呈現(xiàn)為一個與n線性相關(guān)的斜平面。圖12(b)表明當(dāng)線路漏電阻為20 kΩ、故障線路總對地分布電容為0.9 μF 時,在f一定時,Kg隨著n的升高而升高,在n一定時,隨著Kg的升高而減小,這主要是因為f越高,容抗越小,容性電流的成分比例升高進(jìn)而使Kg減小。圖12(c)表明當(dāng)線路漏電阻為1 MΩ,故障線路總對地分布電容為0.9 μF 時,Kg不受f與n的影響,呈現(xiàn)為一個恒為1的水平面,即非故障水平面。
圖12 f和n對Kg的影響
建立了基于低頻階躍脈沖信號注入的礦井1 140 V三相交流供電系統(tǒng)漏電保護(hù)仿真模型,通過理論分析和仿真實(shí)驗得到結(jié)論如下:
1)利用低頻階躍脈沖信號在系統(tǒng)各線路表現(xiàn)的特征能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)絕緣檢測,絕緣檢測的誤差在4%以內(nèi),能夠有效檢測1~200 kΩ 范圍內(nèi)的漏電故障,在其他范圍內(nèi)的計算結(jié)果誤差較大。
2)故障選線方法有效排除了漏電阻、分布電容、低頻階躍脈沖頻率和諧波次數(shù)的影響,線路和注入系統(tǒng)參數(shù)的變化僅會改變故障線路Kg的大小,而非故障線路Kfg恒為1,不影響故障選線的可靠程度。
3)向系統(tǒng)注入低頻階躍脈沖信號進(jìn)行漏電保護(hù)的方法彌補(bǔ)了附加直流檢測式漏電保護(hù)的不足,利用注入信號在線路上產(chǎn)生的特征量大小及差異實(shí)現(xiàn)了絕緣檢測和故障選線技術(shù),且注入方法和濾波電路構(gòu)建容易,有利于提高冗余度。