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）

0 引言

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。

1 礦井低壓供電系統(tǒng)

1.1 礦井低壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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]。

1.2 漏電種類及動作值整定

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

2 附加階躍脈沖信號技術(shù)

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)。

2.1 附加階躍脈沖信號技術(shù)原理

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。

2.2 階躍脈沖信號注入架構(gòu)

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。

2.3 漏電保護(hù)技術(shù)

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)：

3 仿真驗證

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

3.1 絕緣檢測技術(shù)

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

3.2 故障選線技術(shù)

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

3.3 多因素對Kg的影響

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

4 結(jié)論

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。