煤礦供電系統穿越性故障識別與隔離方案研究

賈新立

(河北水利電力學院，河北省滄州市，061000)

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煤礦供電系統穿越性故障識別與隔離方案研究

賈新立

(河北水利電力學院，河北省滄州市，061000)

煤礦現有的多級自動化串聯供電系統只能對部分故障進行判斷與隔離，并不能對所有可能發生的故障進行識別，在功能上存在著缺陷。根據煤礦供電系統的特征，提出區域集控式煤礦智能變電站體系結構，將含有相同等級電壓的變電站分別建成具有測量和收集等功能的智能變電分站，通過建設智能控制中心對各個分站進行協調控制，設計并開發了故障識別與隔離系統，為解決煤礦電網故障多級穿越問題提供有力的技術支持。

煤礦供電系統 區域集控 故障識別 隔離方案

近年來，由于深井供電系統的特殊性、地下煤礦開采條件的單一性以及煤礦電網自動化程度不高，使得煤礦井下供電裝置的軟硬件性能都遠遠低于地面供電系統。由于煤礦電網同等級的電壓要穿越多個變電所，若某一級發生故障未能隔離，則會穿越到上一級，造成更大的后果，因此解決煤礦電網系統中出現的穿越性故障識別與隔離問題成為近年來研究的重點。

隨著智能技術的發展，智能電網以及智能變電站技術很好地解決了煤礦中存在的一些特殊供電問題。智能電網是通過先進的設備和傳感技術，以物理電網作為基礎，通過特殊的技術手段，將系統內所有的智能電子設備以及傳感器有效地連接到一起，完成了對系統與設備之間的智能連線。智能變電站是全網運行數據的控制命令執行單元以及采集節點，同時也是智能電網的重要節點。智能變電站將各個分站收集到的信息進行統一，以便于實現信息的共享。智能變電站具有簡潔化和集約化等特點，能將能量管理系統和五防閉鎖系統等應用集中到同一平臺中，改變了以往信息的孤立性，為解決電網范圍內出現的各種故障問題提供了信息支撐，為今后煤礦行業供電系統的發展提供了技術支持。

1 故障隔離算法

故障區域的定位采用的是配網饋線自動化的方法，結合發生故障時上傳的各節點信息將電網拓撲抽象為矩陣，最后構造算法實現對故障區域的定位。將煤礦電網的拓撲結構構造成的矩陣記為D，當電網發生故障時，根據變電站上傳的故障信息構造矩陣并記為P，然后根據矩陣P與矩陣D進行搜索，最后找到故障區域。

1.1 網絡描述矩陣D

將電網中實際存在的開關視為節點并編號，若節點數為N，則D即為N×N方陣，規定兩個節點i和j，當dij=1時，則i有流向j的趨勢，否則dij=0。具體矩陣如式(1)所示：

(1)

1.2 故障信息矩陣P

若電網中存在的節點數為N，則故障信息矩陣P為1行N列的行矩陣，P中元素的順序按電網中斷路器的編號。當有故障信息出現時，會修改P中的元素，當某一開關發生故障時，對應的矩陣元素為1，沒有故障時則為0。

1.3 判定準則

當矩陣中某一元素fi=1時，若矩陣P所有滿足dij=1(i≠j)的元素fi=0，即滿足：

|dij=1(i≠j)=0

(2)

則故障發生在i點，應對i點下達跳閘命令。

2 故障及不正常運行狀態識別

2.1 漏電故障識別

在井下供電系統中，漏電故障發生的頻率要遠遠大于其他故障，煤礦電網使用的系統主要有中性點不接地系統與消弧線圈接地系統，識別漏電故障的原理有零序無功功率方向原理和零序有功功率方向原理，不同的原理適用于不同的系統，取得的效果也不一樣。系統與原理的選擇見表1。

通過對兩原理的分析，構造一個更加方便直觀的判斷依據。設定角度φ為零序電壓與零序電流的夾角，并以零序電壓作為參考量，得到一種更加快捷的保護判據，保護判據的判定方法見表2。

表1 系統與原理的選擇

表2 保護判據的判定方法

由表2可知，當夾角φ的角度范圍為0°～90°時的線路為健康線路，在其他角度范圍下則為故障線路。據此方法可準確判斷出漏電位置。

2.2 短路故障識別

電網中發生的短路故障是對系統破壞最大最嚴重的一種故障。發生短路時，除了熱效應和電動力，還會產生負序和零序分壓，兩種分壓都會造成電動機的劇烈震動。為了加強對短路故障的判斷與識別，采用電流突變量作為判斷是否發生短路故障的依據，確保了電路的通暢。電流突變量見式(3)：

(3)

式中 :Δik——電流突變量，A；

ik——第k個點的電流采樣值，A；

ik-N——第k-N個點的電流采樣值，A；

ik-2N——第k-2N個點的電流采樣值，A；

N——一個周期內的采樣數量；

k——任意一個采樣點。

對式(3)進行積分，則得到利用積分的方式計算突變量的方法如式(4)所示：

(4)

電流突變量積分示意圖如圖 1 所示。由圖1可以看出，當最后的積分值ΔS大于定值Δik時，將直接進行故障處理。

2.3 過載識別

過載是一種非正常的運行狀態，過載超過一定的耐受極限或長時間過載都會引起設備故障，過載時會產生熱效應，當熱效應積累到一定程度時也會引發故障。目前，定時限和反時限配合使用是應用最廣泛的過載保護方法，定時限部分是為了確保供電的連續性與選擇性，反時限部分可以承載的過載電流越大，過載時間就越短，即兩者成反比例關系。對電流進行采樣，當電流值超過規定值時，保護經整定的延時t動作跳閘，定值換算成過載倍數K，與時間t遵照圖1曲線。

圖1 電流突變量積分示意圖

3 穿越性故障識別與隔離方案研究

3.1 煤礦供電系統特征

我國煤礦的供電系統由地面變電所和采區變電所等部分構成，且大都采取輻射狀分布。具體煤礦供電系統分布結構如圖2所示。

圖2 煤礦供電系統分布結構圖

由圖2可知，煤礦供電系統由兩個獨立電源為煤礦電網供電，一般情況下，地面變電所設兩臺主變壓器，且都采取分列的方式運行，對從獨立電源處引出的高壓線進行變壓，當一回路運行時，另一回路帶電備用。

3.2 區域集控式煤礦智能變電站結構

結合我國煤礦供電系統設備數量眾多以及變電所相距較近的特點，將現有資源進行綜合整理，改善以往變電站管理模式所不能適應區域集中管理的需要，以集控化為手段，從集中控制的角度出發，利用智能變電站技術建立集約化和智能化區域集控式煤礦智能供電系統。以間隔為單位，將具有相同等級電壓的變電站建成分智能變電站，智能單元作為分智能變電站的核心裝置，獨立完成測量和保護等功能，不受站控層影響，建立智能集控中心以實現對各個分站的協調控制。煤礦區域集控式智能供電系統控制圖如圖 3 所示。

由圖3可知，采用MMS/GOOSE兩網合一技術，在站控層設立隔離與穿越性故障識別主機，集控主機對各個單元收集的故障信息進行故障識別與隔離，實現區域智能控制。

3.3 故障識別與隔離研究

目前，國內煤礦電網系統中普遍存在故障區域判別困難、多級串聯供電和越級跳閘3種電網故障，而相應的解決方案在實行上存在較大的弊端，解決方案及其缺陷見表3。

表3 解決方案及其缺陷

由表 3 可以看出，這3種解決方案都不能完成對所有類型故障的識別與隔離且效果較差。為了更好地解決現存問題，提出了一種新的解決方案，具體技術原理如圖 4 所示。

由圖4可知，各個分站通過收集系統的各項數據，經過智能單位的計算分析，最后判斷出故障所屬的類型，然后以GOOSE報文的形式上送到集控中心，集控中心根據上報的數據進行運算，最后通過GOOSE報文將信號下發到分站。集控中心保護主機完成故障的判斷與排除，并不會影響各個分站的隔離與獨立判斷能力， 以確保縱向的選擇性。

圖3 煤礦區域集控式智能供電系統控制圖

圖4 區域集控式故障識別與隔離技術結構原理圖

4 結語

利用故障隔離算法可以快速、準確地定位故障區域，降低故障排除時間。以智能變電站的快速發展為基礎，憑借智能變電站的信息共享技術，解決了當前煤礦電網系統出現的穿越性故障識別與隔離問題，為今后的發展提供了契機。

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(責任編輯 路 強)

Research on through fault recognition and isolation scheme for coal mine power supply system

Jia Xinli

(Hebei University of Water Resources and Electric Engineering, Cangzhou, Hebei 061000, China)

The existing multilevel automatic series power supply system can only judge and isolate some faults, but not all the possible faults, it's defective in function. According to the characteristics of coal mine power supply system, the regional centralized coal mine intelligent substation structure was proposed, substations with same level of voltage were built into intelligent substations with functions of measurement and fault collection, which were coordinated and controlled by intelligent control center, and fault recognition and isolation system was designed and developed, which provided powerful technical support for solving coal mine grid fault multilevel through problems.

coal mine power supply system, regional centralized control, fault identification, isolation scheme

河北省高等學校科學研究計劃項目(ZD2016129)

賈新立. 煤礦供電系統穿越性故障識別與隔離方案研究[J]. 中國煤炭，2017，43(3):89-92，108. Jia Xinli. Research on through fault recognition and isolation scheme for coal mine power supply system[J] .China Coal，2017，43(3): 89-92，108.

TD611

A

賈新立(1980-)，男，河北滄州人，碩士，實驗師，主要研究方向為電機與電器。