基于絕緣在線監(jiān)測原理的礦井低壓電網(wǎng)漏電保護選線方法研究

姚玨菂，蘇珂嘉，孟慶勇，陳 偉

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013）

煤礦處于惡劣環(huán)境之中，井下供電系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生各種類型漏電故障，選擇性漏電保護是煤礦供電系統(tǒng)的重要保護之一。目前應(yīng)用于井下的礦井選擇性漏電保護裝置效果不盡人意，應(yīng)用的各種基于穩(wěn)態(tài)參數(shù)及暫態(tài)參數(shù)的選線方法時而發(fā)生誤動甚至拒動。特別地對于井下低壓供電系統(tǒng)，由于系統(tǒng)寄生參數(shù)小等原因，低壓選擇性漏電保護的選線判據(jù)相對不明顯、選線靈敏性很低，導(dǎo)致保護裝置的可靠性差[1]。因此，研究高可靠性和靈敏性的選擇性漏電保護方法以改善漏電保護裝置的性能，對確保安全生產(chǎn)和減小漏電故障危害具有重要意義。國內(nèi)外已有的漏電保護選線方法主要基于以下原理進行選線：

1）基于零序功率及電流幅值、方向等穩(wěn)態(tài)量特征的故障診斷方法[2]；

2）基于形態(tài)學(xué)或能量的方法；

3）基于暫態(tài)量特征，利用小波分析等算法選線的方法[3-6]等。

基于以上幾種方法的選線由于以下原因造成局限性，在當(dāng)前井下應(yīng)用并不理想：故障電流小，有可能保護器整定困難發(fā)生誤動或小于電流互感器量程下限、采集困難；電磁干擾作用及零序回路對暫態(tài)量的放大作用、故障信號信噪比低等。本文提出一種基于在線監(jiān)測電網(wǎng)對地絕緣情況的漏電保護選線方法，該方法克服了分布參數(shù)不同、電網(wǎng)不平衡等因素引起的漏電保護誤動作及保護整定值難以確定等問題，判據(jù)特征明顯、抗干擾能力強，有較強靈敏度，能夠有效地提高漏電故障選線的準(zhǔn)確率。

1 井下低壓電網(wǎng)常用漏電選線方法及存在的問題

當(dāng)前我國井下低壓電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)多采用變壓器中性點不接地方式，井下發(fā)生漏電故障時由于三相電中性點位移而產(chǎn)生零序電流系統(tǒng)模型如圖1所示，令故障點位于電網(wǎng)支路L1。則故障點流過的零序電流為各支路零序電流之和，即

系統(tǒng)各條支路零序電流方向及大小關(guān)系如圖1標(biāo)示，其中流經(jīng)L1線路始端零序電流大小為

即非故障支路零序電流大小之和，，非故障支路L2始端零序電流大小 I˙02為

非故障支路L3始端零序電流大小為

方向與故障線路相反。

圖1 供電系統(tǒng)漏電故障Fig.1 Leakage fault of power system

零序電流具有圖1所示的方向特性，一直是選擇性漏電保護選線判據(jù)的重要依據(jù)，該方法是利用某支路漏電時，中性點發(fā)生偏移產(chǎn)生對地電壓，從而形成零序電流。簡單使用這種基于各支路之間方向關(guān)系的選線方法并不可靠，誤差較嚴重，井下電網(wǎng)的電壓及負荷不可能做到絕對對稱，電網(wǎng)不平衡或者電網(wǎng)波動時，容易引發(fā)誤判，判據(jù)的可靠性較低。

另外，中性點偏移產(chǎn)生的零序電流與對地絕緣值之間并不是單純的線性關(guān)系，還與電網(wǎng)分布參數(shù)緊密相關(guān)。以整定值10千歐為例，由于各煤礦甚至同一煤礦不同工作面的分布參數(shù)有差異，導(dǎo)致達到10千歐動作條件的零序電流大小不同，給保護動作造成困難。

2 基于絕緣在線監(jiān)測選線方法描述與應(yīng)用

2.1 方法描述

基于以上考慮，研究一種基于絕緣在線監(jiān)測技術(shù)，使用低頻信號附加法在變壓器低壓側(cè)疊以低頻、低壓的電壓信號，對電纜絕緣電阻進行在線測量。套在每一條出線線路上的傳感器采集測量電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理后，進行A/D轉(zhuǎn)換，通過CPU計算，實現(xiàn)絕緣在線監(jiān)測。線路正常運行時，測量每條線路的對地絕緣水平，顯示電阻值；當(dāng)任何一條線路的對地絕緣電阻下降到整定值（例如100 kΩ）時，發(fā)出報警信息；對地電阻下降到危險值（例如10 kΩ）時，零序電流互感器不僅采集到50 Hz的零序電流，同時采集到低頻附加電流產(chǎn)生的零序電流，經(jīng)過數(shù)值大小比較計算，可以判斷出是哪一條線路發(fā)生了單相漏電故障并發(fā)出跳閘指令，實現(xiàn)漏電選線。

2.2 方法應(yīng)用

低頻信號附加方法如圖2所示，低頻電源產(chǎn)生低頻信號后，通過隔離變壓器和三相電抗器耦合到工頻電網(wǎng)上，保護電阻J的值為5千歐，R作為采樣電阻。

圖2 附加低頻信號供電系統(tǒng)Fig.2 Leakage fault of power system

低頻信號產(chǎn)生后，通過三相電抗器耦合到電網(wǎng)上，當(dāng)絕緣良好時，由于信號的頻率較低，不能通過分布電容形成回路，若電網(wǎng)無波動此時中性點基本對稱，故零序電流互感器中不會采集到50 Hz工頻零序電流及10 Hz低頻零序電流。

絕緣下降時，電網(wǎng)中性點開始偏移，并隨著漏電的發(fā)生而逐漸加劇。此時故障支路的零序電流互感器相對其他支路能夠更為明顯的采集到工頻故障電流和低頻故障電流，且10 Hz低頻故障零序電流是低頻線電流的3倍。

將采樣結(jié)果分別通過濾波、放大等信號調(diào)理電路，提取50 Hz和10 Hz零序電流波形，利用低頻10 Hz電流采樣值計算對地絕緣情況，實現(xiàn)選擇性漏電保護；工頻零序電流采樣值計算結(jié)果作為常規(guī)選漏后備保護整定值。

3 仿真驗證

仿真試驗選擇MATLAB中的Simulink模塊進行[7-8]，因為MATLAB具有很好的數(shù)值分析功能，在FFT計算方面具有良好的軟件濾波性能，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型示意圖Fig.3 Simulink model diagram

如圖3中所示，該仿真模型的主要參數(shù)設(shè)置如下：三相交流電源電壓為6 kV，變壓器選用兩繞組三相變壓器（（Threephase Transformer Two Windings））， 變比為 6 kV/1 140 V，負載選用三相串聯(lián)RLC負載（Three-phase Series RLC Load），設(shè)置為感性負載，用以模擬普通礦用電機。在每條支路上設(shè)置電阻和電容接地，用以表示各支路對地的絕緣電阻和分布電容，支路L1～L4的對地分布電容設(shè)置相同均為0.005 μF，支路L1、L2、L3的對地電阻設(shè)為10 MΩ，即相當(dāng)于對地絕緣，支路L4的對地電阻設(shè)置為10 kΩ，模擬單支路三相對地絕緣平均下降的情況。低頻電源電壓為50 V，頻率為10 Hz。低頻信號經(jīng)隔離變壓器（Transformer）輸出，經(jīng)限流電阻R0、三相電抗器SK進入電網(wǎng)。在每條線路上套接零序電流互感器，互感器輸出波形通過50 Hz陷波器、帶通濾波器等信號調(diào)理模塊處理后，將結(jié)果顯示在示波器上。

仿真算法和相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 仿真算法設(shè)置Fig.4 Simulation algorithm configuration

按照上述選定模塊和設(shè)置仿真參數(shù)后，進行仿真，得到以波形圖如圖5所示。

圖5 10Hz低頻信號Fig.5 10Hz low frequency signal

當(dāng)三相對地絕緣平均下降的情況，正常支路L1、L2、L3對地絕緣為10 MΩ，L4對地絕緣下降到10 kΩ，此時圖5為零序電流互感器檢測到的沒有經(jīng)過帶通濾波器的低頻信號波形，可以看到非故障支路L2、L3的故障電流遠遠小于故障支路L4的故障電流，并且故障電流在短暫振蕩后趨于穩(wěn)定，此時工頻中性點偏移不大，零序電流互感器幾乎難以收集到工頻電流?？梢?，通過附加10 Hz低頻信號的方法，對于中性點沒有明顯偏移的電網(wǎng)故障具有很好的檢測效果，能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣下降的實時監(jiān)測和預(yù)警。

圖6 50Hz工頻頻信號Fig.6 50Hz power frequency signal

當(dāng)發(fā)生漏電故障時，中性點產(chǎn)生偏移，圖6為工頻信號在各支路上的波形，在故障支路絕緣大幅下降后，電流波形幅值才能和非故障支路區(qū)分開來。由此可以很好地選擇出故障線路，再結(jié)合附加低頻信號判據(jù)，極大的提高了漏電保護選線準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

該新型選線選線方法具有的有益效果：

1）該方法克服了分布參數(shù)不同、電網(wǎng)不平衡等因素引起的漏電保護誤動作及保護整定值難以確定等問題；

2）低頻信號產(chǎn)生的零序電流波形與電纜對地絕緣狀況基本呈線性相關(guān)；

3）能及時有效的預(yù)測可能發(fā)生漏電的支路，并上安全報監(jiān)控系統(tǒng)，是一種集事故前預(yù)警、事故后選線皆有效的漏保方法；

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