陸 帥，李 峰，卞林林，隋翔龍

(南京磐能電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000)

目前，我國煤礦井下6 kV供電網(wǎng)一般為小電流接地系統(tǒng)，受礦井工作環(huán)境惡劣、瓦斯粉塵積聚、滴水潮濕等因素影響，井下輸電線路和其他一次電氣設(shè)備易發(fā)生單相接地故障。單相接地故障時(shí)，非故障相電壓的升高可能導(dǎo)致絕緣破壞，進(jìn)而引起相間短路。同時(shí)，單相接地故障會產(chǎn)生電弧或釋放火花，引起瓦斯、煤塵爆炸，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大隱患。因此，為確保井下作業(yè)安全，井下供電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)應(yīng)盡快進(jìn)行故障定位、隔離。

受空間不足、安全防護(hù)要求等多方面因素影響，煤礦井下6 kV供電網(wǎng)不宜配置專用的小電流接地選線裝置，研究配置高性能小電流接地選線功能的井下線路保護(hù)裝置對確保井下工作人員的人身安全和礦井的安全生產(chǎn)具有重大意義。

1 小電流接地選線原理簡介

小電流接地選線按其工作原理可分為基于穩(wěn)態(tài)信號的選線原理、基于暫態(tài)信號的選線原理。

1.1 基于穩(wěn)態(tài)信號的選線原理

基于穩(wěn)態(tài)信號的選線原理包括零序功率方向法、諧波法。

現(xiàn)階段，礦用保護(hù)裝置的選線功能多數(shù)基于穩(wěn)態(tài)原理，煤礦井下配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地方式，且是過補(bǔ)償狀態(tài)，受消弧線圈補(bǔ)償?shù)挠绊懀诜€(wěn)態(tài)信號的選線原理在實(shí)際使用中選線效果不理想。

1.2 基于暫態(tài)信號的選線原理

基于暫態(tài)信號的選線原理包括暫態(tài)能量法、小波變換法、首半波法 。

相對于基于穩(wěn)態(tài)信號的選線原理，基于故障暫態(tài)信號的選線原理具有靈敏度高且不受消弧線圈影響的優(yōu)勢。20世紀(jì)國內(nèi)外已經(jīng)開始對暫態(tài)信號的選線原理進(jìn)行了研究，國內(nèi)先后研發(fā)了幾代產(chǎn)品，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平影響，配置在線路保護(hù)裝置的暫態(tài)接地選線原理一直未得到廣泛的應(yīng)用。近年來嵌入式技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，為暫態(tài)信號小電流接地選線技術(shù)在線路保護(hù)裝置的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

2 暫態(tài)首半波能量選線原理

2.1 啟動繼電器

暫態(tài)首半波能量法需要確定故障起始點(diǎn)，利用故障開始半個(gè)周波的電壓、電流進(jìn)行選線判斷。采用零序電壓、零序電流突變量原理，快速確認(rèn)故障起始點(diǎn)、識別故障。

零序電壓突變量啟動判據(jù)：

Δu0(t)>u0set+k1Δu0T

(1)

零序電流突變量啟動判據(jù)

Δi0(t)>I0set+k1Δi0T

(2)

其中：

u0set、i0set分別為零序電壓突變定值、零序電流突變定值；

Δi0(t)為電流突變量，Δi0(t)=||i0(t)-i0(t-T)|-|i0(t-T)-i0(t-2T)||；

Δu0(t)為電壓突變量，Δu0(t)=||u0(t)-u0(t-T)|-|u0(t-T)-u0(t-2T)||；

Δi0T為零序電流突變量浮動門檻，取上一個(gè)周波的零序電流突變量；

Δu0T為零序電壓突變量浮動門檻，取上一個(gè)周波的零序電壓突變量；

k1為浮動門檻的可靠系數(shù)，取1.25；

T為采樣同期。

零序電流突變量Δi0(t)連續(xù)M個(gè)采樣點(diǎn)中有N個(gè)采樣點(diǎn)滿足式(2)，零序電流突變量啟動元件動作。零序電壓突變量Δu0(t)連續(xù)M個(gè)采樣點(diǎn)中有N個(gè)采樣點(diǎn)滿足式(1)，零序電壓突變量啟動元件動作。任意一個(gè)突變量啟動元件動作時(shí)，則認(rèn)為檢測到故障，啟動暫態(tài)首半波能量法判斷。

同時(shí)設(shè)置零序電壓突變量、零序電流突變量兩個(gè)啟動繼電器，可以保證在較大過渡電阻時(shí)有較高的靈敏性，保證接地選線的準(zhǔn)確率。

2.2 暫態(tài)首半波能量法

2.2.1 傳統(tǒng)首半波法原理。故障線路零序電壓與零序電流在暫態(tài)首半波內(nèi)極性相反，非故障線路、故障點(diǎn)下游線路極性相同(見圖1)。零序電壓與零序電流僅在暫態(tài)首半波呈反極性關(guān)系，受軟件故障識別靈敏度、采樣率等多方面影響，傳統(tǒng)首半波法原理的實(shí)際選線效果一直不高。

大量研究證明，在SFB(Selected Frequency Band)頻率段內(nèi)，故障線路和非故障線路其阻抗呈容性，超出頻段時(shí)，阻抗特性較為復(fù)雜，不好確定。對零序電壓、零序電流進(jìn)行濾波處理，保留固定頻段分量，濾波處理后故障線路零序電壓導(dǎo)數(shù)與零序電流極性一直相反，而非故障線路、故障點(diǎn)下游線路極性相同，如圖1所示。

圖1 故障線路暫態(tài)波形比較

定義參數(shù)變量qk(t)為：

qk(t)=i0(t)*du0(t)/dt

(3)

對于非故障線路qk(t)大于0，故障線路有qk(t)小于0。

對參數(shù)變量qk(t)從故障起始時(shí)刻開始進(jìn)行積分，得到參數(shù)變量Eq為：

(4)

其中，T1為積分結(jié)束時(shí)刻，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為T/2。

顯然，非故障線路Eq大于0，故障線路Eq小于0，為防止在保護(hù)程序計(jì)算過程中誤差引起誤判斷，因此保護(hù)判斷可定為：

Eq

(5)

其中，Ez為固定門檻值。

2.2.2 暫態(tài)首半波能量法原理。零序電壓、零序電流進(jìn)行頻帶濾波處理后，故障線路零序電壓導(dǎo)數(shù)與零序電流在故障首半波的乘積積分小于0，而非故障線路、故障點(diǎn)下游線路大于0。

暫態(tài)首半波能量法接地選線保護(hù)算法如圖2所示。

圖2 暫態(tài)首半波能量法接地選線保護(hù)算法

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

將研制的11臺井下線路保護(hù)裝置安裝在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)石窯煤礦的中央變電所，變電所一次主接線如圖3所示，變電所共兩段母線，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，每段母線4條出線，接地電流均在20 A以內(nèi)，所有線路均為電纜線路?，F(xiàn)場對每條線路進(jìn)行相應(yīng)的接地模擬實(shí)驗(yàn)，共記錄到47次故障以及對應(yīng)波形數(shù)據(jù)，所有線路保護(hù)裝置的動作行為全部正確。

圖3 石窯煤礦中央變電所主接線圖

對現(xiàn)場波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Ⅰ母線路區(qū)內(nèi)故障參數(shù)變量Eq如圖4所示，從圖中可以看出，區(qū)內(nèi)故障Eq明顯小于0，不受消弧線圈影響。現(xiàn)場裝置采用3 200 Hz的采樣率，采樣精度為保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)要求精度，在不改變現(xiàn)有保護(hù)裝置采樣率和采樣CT配置的情況下，配置暫態(tài)首半波能量法的線路保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)高性能的接地選線。

圖4 石窯煤礦出線參數(shù)變量Eq

4 結(jié)束語

集成基于暫態(tài)首半波能量法的小電流接地選線功能的礦用線路保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)井下配電網(wǎng)間隔的接地選線功能，不受不穩(wěn)定電弧和消弧線圈的影響，靈敏度高，可靠性好，不增加硬件成本，后期維護(hù)成本低，有望解決長期困擾煤礦供電部門的小電流接地選線難題。