五礦礦業(yè)（安徽）工程設計有限公司 王 金

1 引言

高壓供電系統(tǒng)漏電保護始終都是我國礦山發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。我國的礦山供電系統(tǒng)，大多采用中性點不接地的方式，根據(jù)先前的研究經(jīng)驗可知：不管是在高壓環(huán)境下還是低壓環(huán)境下，出現(xiàn)問題最多的故障類型都是單相接地故障[1]。當發(fā)生漏電故障時，有時會發(fā)生瓦斯爆炸，更有甚者還會提前引爆電雷管，產(chǎn)生的損失將是無可估量的。因此，對礦山漏電保護技術展開研究是十分有必要的。

當發(fā)生漏電故障時，首先想到的就是要切斷電源，這屬于“一刀切”，對于沒有發(fā)生漏電的線路來說，正常運行的工作也要被迫停止[2]。因此，算法要求只需斷開發(fā)生故障的一條線路即可，對于沒有發(fā)生故障的線路，要保證其正常運行，以此來維持礦山工作的正常開展。為此，本文提出礦山高壓供電系統(tǒng)漏電保護方法[3]。首先，將礦山高壓供電系統(tǒng)線路分為故障線路和非故障線路，當某一條線路出現(xiàn)接地漏電故障時，在不會對其他非故障線路產(chǎn)生任何影響的情況下，及時斷開該條線路的電源連接；計算供電系統(tǒng)漏電保護在正常狀態(tài)以及非正常狀態(tài)下的故障識別編碼適應度，并比較二者的值，獲得故障識別概率，以此實現(xiàn)對高壓供電系統(tǒng)漏電保護的研究。通過搭建實驗環(huán)境，進行實驗測試，結果表明，利用本文方法得到的停電比例和故障識別效率均較為理想，算法具有一定的可行性。

2 礦山高壓供電系統(tǒng)漏電保護技術

2.1 礦山高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生漏電的原因分析

礦山高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生漏電的主要原因可以概括如下：

（1）電氣設備、電纜檢查保養(yǎng)不慎，操作使用不當造成漏電的。

（2）電纜被壓碎扎入地下；電纜過度彎曲導致電纜護套開裂；運行過程中電纜呈圓形或“8”字形，導致電纜發(fā)熱、絕緣老化，絕緣性能下降。

（3）當設備和電纜閑置時，會抬高維修或不定期烘干，導致設備和電纜受潮，絕緣降低。

（4）開關、電機等在淋浴處暴露在潮濕或水中，導致絕緣降低。

（5）電氣設備和電纜選擇不當，導致長期過載和發(fā)熱，絕緣降低。

（6）變壓器并聯(lián)運行，電纜線路過長，開關、電機等設備過多，降低了電網(wǎng)總絕緣水平。

（7）電纜或開關柜的運行超過額定電壓，導致絕緣降低或擊穿。

（8）電纜與設備連接過程中，由于連接噴嘴的接口松動、鐘口密封松動、壓板松動等原因，造成連接松動，在運行過程中與外殼連接，或因連接毛發(fā)過熱燒毀絕緣。

2.2 高壓供電系統(tǒng)線路分支

整個礦山高壓供電系統(tǒng)是由若干個獨立的供電單元組成，只要對其中一個單元完成漏電保護技術的研究，就可以將其應用到其他單元，最終實現(xiàn)整個供電系統(tǒng)的漏電保護。這同時也說明，如果一個供電單元發(fā)生漏電故障，只要切斷它的電源線路即可，不會影響其他單元的正常作業(yè)。

在任意一個三相電路系統(tǒng)中，如果存在一條接地漏電故障線路，那么整個電路都會產(chǎn)生零序電壓和零序電流回路，二者共同作用又會產(chǎn)生零序電流。對于零序電流的檢測，本文通過零序電流互感器來實現(xiàn)。不僅如此，還可控制繼電器的更新。具體如圖1所示。

圖1 零序電流保護原理圖

從圖1中可以看出，在整個供電系統(tǒng)零序電流中，接地裝置是沒有安裝在變壓器中性點上的。另外，三組接地電容C 和三組接地絕緣電阻r，構成了零序電流通路，當其發(fā)生接地漏電故障時，在零序電流互感器LLH 一次側中流經(jīng)的電流為3倍零序電流3I0，而在二次側中流經(jīng)的則轉換為了感應電勢，再由整流器D 的作用后，可直接對直流繼電器J 實現(xiàn)控制。

在直流繼電器J 中，在零序電流值足夠大的前提下，動作電流的值不隨任何變化而變化，是一個固定值。換句話說，在電網(wǎng)對地電容值足夠大時，電網(wǎng)對地電容值也不會發(fā)生任何改變。這是在考慮高壓供電系統(tǒng)漏電保護時不可忽視的重要一點。

同時，絕緣電阻r 對供電系統(tǒng)中零序電流值的大小也有一定的影響作用。當r 中含有較大的電容時，零序電流值的大小由電容來決定；但是當r 中含有較小的電流時，可對其忽略不計。所以，根據(jù)r 中電容值和電流值的大小，來決定零序電流值的大小。在此思路的基礎上，將高壓供電系統(tǒng)線路分為故障線路和非故障線路，實現(xiàn)選擇性斷電的目的。這樣當某一條支路出現(xiàn)故障時，只對該支路斷電即可，不會影響非故障支路的正常工作。

2.3 高壓供電系統(tǒng)漏電保護技術實現(xiàn)

在對高壓供電系統(tǒng)進行漏電保護研究之前，首先要做的就是計算整個供電系統(tǒng)在發(fā)生漏電故障時的期望函數(shù)和適應度函數(shù)。計算完成之后，再分析漏電保護在發(fā)生故障和未發(fā)生故障時的故障識別編碼適應度，比較兩種狀態(tài)下的結果。經(jīng)過上述計算后，可以獲得故障識別概率結果，至此實現(xiàn)高壓供電系統(tǒng)漏電保護。

將E(X)定義為與高壓供電系統(tǒng)故障識別編碼相對應的適應度，計算公式如式（1）所示：

式中，NA、NB、NC均表示在發(fā)生接地漏電故障的情況下，供電系統(tǒng)所執(zhí)行的動作系數(shù)；Aj表示供電系統(tǒng)變電站IED 配置，在正常運行下所展現(xiàn)出的實際狀態(tài)；表示計算供電系統(tǒng)變電站IED 配置，所得到的期望狀態(tài)；Bj表示在變電站IED 配置中，漏電保護對象在正常運行狀態(tài)下展現(xiàn)出的實際狀態(tài)；表示變電站IED 配置中，漏電保護對象計算得到的期望狀態(tài)；Cj表示變電站IED 配置中，漏電保護的實際狀態(tài)值；表示變電站IED 配置中，漏電保護的期望狀態(tài)值；ω 表示適應度系數(shù)值；j 表示礦山供電網(wǎng)絡中的所有元件斷路器。

在參考了高壓供電系統(tǒng)結構、主/后備繼電保護原理的一般動作邏輯以及漏電保護的線路長度后，本文建立了高壓供電系統(tǒng)漏電保護期望函數(shù)：

式中，Xi表示在漏電保護對象計算得到的故障識別編碼；表示變電站IED 配置中，與互相對應的對端保護狀態(tài)信息；Xltb表示在漏電保護對象的末端，所展現(xiàn)的具體母線編碼[4]；Sj表示漏電保護裝置在高壓供電系統(tǒng)中的具體位置信息。

經(jīng)過上述的分析計算后，可進一步推理得到漏電保護故障識別概率，計算公式為：

式中，Esi表示漏電保護正常狀態(tài)下的故障識別編碼適應度；Ei表示供電系統(tǒng)漏電保護經(jīng)過實時計算后，故障識別編碼適應度結果。

通過式（3），進一步分析得到供電系統(tǒng)漏電保護判決[5]計算公式：

式中，Kset1、Kset2、Kset3均代表定值，再向下進行細分，Kset1表示漏電保護裝置的可靠性系數(shù)整定值；Kset2表示主漏電保護和后備漏電保護共同得到的故障識別概率整定值；Kset3表示漏電保護裝置在判斷故障時實際取得的故障識別概率整定。

3 仿真實驗

3.1 實驗步驟

為了驗證本文方法在實際應用中是否同樣合理有效，設計了仿真實驗。實驗平臺通過FSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真軟件搭建，在某大型礦山供電系統(tǒng)展開實驗研究，選取了4000個實驗數(shù)據(jù)，其中包含1000個故障數(shù)據(jù)。實驗步驟如下所示：

（1）當?shù)V山高壓供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，計算每個漏電保護裝置處的電壓值和電流值；

（2）在步驟（1）的基礎上加入隨機擾動，并將漏電保護裝置處的電壓值和電流值與誤差系數(shù)做乘法計算，以此獲得供電系統(tǒng)漏電保護量測。其中，隨機擾動服從N#(1,σ2)正態(tài)分布；

（3）根據(jù)實驗需要，在高壓供電系統(tǒng)中手動添加故障數(shù)據(jù)；

（4）引入本文技術方法，驗證是否可以取得理想的漏電故障識別概率。

3.2 實驗結果及分析

首先對本文方法的供電質量進行驗證。由于實驗背景為礦山，工作環(huán)境復雜且惡劣，面對的不可預測情況非常多，發(fā)生漏電故障的幾率相對來說要大一些。因此，驗證算法的供電質量是十分有必要的。通常情況下，因漏電而導致的停電比例保持在25%以下是可以接受的，本文方法取得的實驗結果如圖2所示。

圖2 本文方法漏電故障停電比例結果

從圖2中可以看出，隨著供電系統(tǒng)中故障數(shù)量的逐漸增多，本文方法的漏電比例呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，漏電保護停電比例均保持在20%以下，為可接受的范圍內。這是由于本文方法采用了線路分支的思路，將整個供電系統(tǒng)分為多個供電單元，當某一個供電單元發(fā)生漏電故障時，只需要切斷該單元的線路即可，不影響其他線路的正常運行。因此，取得了較低的停電比例。

接下來對本文方法的故障識別概率進行實驗驗證。當高壓供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時，只有盡可能地將所有故障數(shù)據(jù)找出來，及時進行維護，才能最大程度保護用電的安全性。高壓供電系統(tǒng)故障識別概率計算公式為：

利用本文方法取得的故障識別概率如圖3所示。

圖3 本文方法故障識別概率結果

通過圖3可以很明顯地看出，隨著供電系統(tǒng)中故障數(shù)據(jù)數(shù)量的逐漸增多，利用本文方法取得的故障識別概率也在隨著增加，且整體保持在80%以上，當故障數(shù)據(jù)數(shù)量為1000個時，故障識別概率更是達到了99.9%，由此說明本文方法可有效識別出供電系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)，及時進行處理，保證整個供電網(wǎng)絡的正常運行。這是由于本文方法通過對比漏電保護在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的故障識別編碼適應度，保證了算法具有較高的故障識別概率。

4 結語

本文考慮到礦山作業(yè)的特點，將整個供電網(wǎng)絡分為若干個供電單元，每個供電單元之間的線路互不影響，當其中一條支路發(fā)生漏電故障時，只需要切斷該單元內的電源線路即可，不會對其他單元產(chǎn)生影響。同時，對漏電保護故障狀態(tài)下的適應度函數(shù)和期望函數(shù)進行計算，并與正常狀態(tài)下的值進行對比，得到故障識別概率值，完成對整個高壓供電系統(tǒng)的漏電保護。