煤礦井下選擇性漏電保護分析研究

【摘要】本文分析漏電故障原理，零序電壓以及零序電流的檢測方法、故障選線方法等選擇性漏電保護關鍵技術，給出小波分析選線方法，通過對比故障線路電流的小波系數與非故障線路的小波系數波形，可方便檢測到電流奇異點，準確選出故障線路。

【關鍵詞】漏電保護;故障選線;小波分析

1、引言

我國電力系統配電網發生的各種漏電故障中，80%為單相接地漏電故障[1-2]。較大的接地漏電流容易使故障擴大成兩點或多點接地短路，甚至整個系統過電壓，致使設備損壞，危害電力系統的安全運行。因此，及時找到漏電故障線路并予以切除至關重要。我國供電系統常用的方式有：中性點直接接地的供電系統，中性點不直接接地的供電系統。目前在我國供電網絡中，大多數是中性點不直接接地系統。此類系統零序阻抗值比較大，一般比正序阻抗值高4倍之多，因此一旦發生某一相接地短路故障時，流經接地事故點的電流較小，所以此中性點不直接接地系統又可稱為小電流接地系統。這種系統下，一旦發生觸電或漏電事故，變壓器中性點與供電系統的對地電容、絕緣電阻形成回路，漏電電流通過回路流入大地，由于電網對地阻抗很大，很難降低觸電人身流過的電流，容易造成人身事故。若電網發生單相漏電時，非故障相電壓升高，可能引起弧光過電壓。長期存在的漏電電流和電火花使系統絕緣受到威脅，進一步造成短路故障。此外，如果漏電情況集中在小電流接地系統的單相故障時，檢測情況將變的極其復雜，皆因漏電特征信號不易被觀測到，因此漏電保護的裝置誤動拒動屢見不鮮極難杜絕，而舊時期采用的依賴人力進行排查的方法不斷被證明是事半功倍勞民傷財，而且效率極其低下，影響生產力發展的同時還可能引起事故。從20世紀80年代中期人們開始采用微機型選線裝置，多種選線原理被提出，選線產品也相繼被研制出。然而，在90年代末期，配電自動化要求實現三方面的創新突破，包括自動故障定位、隔離和非故障線路恢復供電。而目前的配電自動化裝置仍存在無力解決的現象，越級跳閘時有發生。因此，迫切需要找到一種可靠實用的漏電故障選線技術。

礦井供電環境惡劣，故障頻發而且井下多用電纜連接各部分設備，漏電情況在所難免，生產現場急切呼喚選擇性漏電保護技術英國、法國是較早研究選擇性漏電保護技術的國家，發明了基于零序電流保護的選擇性漏電保護技術。之后自適應漏電保護的理論開始被提出與關注近年來。將計算機技術用在漏電保護器上，大大推動了漏電保護器的發展，縮短了漏電保護的判斷時間，速動性能越來越好。

2、漏電故障原理分析

2.1未發生漏電情況

當線路未發生漏電時，即漏電阻抗zh未接入電網時有：

結合式2、式1可得出，在三相對地絕緣平衡時而且沒有漏電發生，則變壓器的中性點對地電壓和電網零序電流和零序電壓：

根據式（3）可得出：在三相對地絕緣平衡時而且沒有無漏電發生，可以得出變壓器中性點對地的電壓也就是零序電壓和電網零序電流都是為零的。

2.2單支路漏電故障

當電網發生漏電時，如圖1所示，即有漏電阻抗 接入電網的A相，則電網的平衡被破壞，根據彌爾曼定理可直接寫出變壓器0與大地0'兩點的電壓即的表達式：

由式（5）可得零序電壓即變壓器中性點對地電壓，為表述方便后文中即使用變壓器中性點對地電壓表示零序電壓。由式（6）可得出：零序電壓也就是電網三相對地電壓出現零序分量時，它是發生在當電網發生單相漏電時情況下的。

根據基爾霍夫電流節點電流定律可得出通過漏電阻抗的電流：

根據式（7），可得出：一旦線路發生單項漏電時，由于對地絕緣阻抗的存在，便有電流經漏電阻抗和對地阻抗之間流過。流過絕緣阻抗的電流? ? 與流過絕緣阻抗的零序電流? ? 的方向相反，流過絕緣阻抗的電流? ? 為? ? 的3倍，即為每項零序電流之和。

再分析線路各段的電流情況，變壓器中性點0至線路中M點各相電流的情況：

因為在變壓器的中性點處，是沒有電流回路的。再根據式（8），可以得出：零序分量只產生于絕緣阻抗和漏電故障點之間。所以對于單支路供電情況，如果在變壓器端裝設零序電流互感器，并不能反映該線路的故障狀態。這也是供配電設計中的一個誤區。

實現零序功率方向型選擇性漏電保護裝置首先需要檢測零序電流和零序電壓的有效值以及其相角之差。

3、選擇性漏電保護分析方法

3.1零序電壓以及零序電流的檢測方法

零序電壓的檢測方法根據中性點接地方式不同而異。在礦井3.3KV以上的供電系統中，主要采用三相五芯電壓互感器檢測零序電壓，互感器二次側有兩個繞組，同時采用五柱鐵芯，目的是為零序磁通提供旁路通路。互感器的二次側一個繞組“Y”接，另一個繞組“Z”接，即三角形開口，用于獲取零序電壓，這種方法廣泛用于母線和線路的絕緣監視裝置中。

人為中性點經電感或者電阻接地時零序電壓的檢測方法。

在人為中性點經電阻或者電感接地的系統中，一般從人為中性點直接拾取零序電壓，因為在變壓器的中性點和人為的中性點之間，均不存在零序電流通路，所以也可以把人為的中性點對地電壓等同于變壓器的中性點對地電壓，也就是零序電壓。通常用于對地絕緣情況下附加直流檢測和零序功率方向型漏電保護相結合的情形，用于隔離直流分量。

零序互感器中穿過了主回路的三相具有絕緣監視和屏蔽的電纜，其中的監視層絲網一般都是做了接地處理的，而監視層絲網和屏蔽層之間不可以通過該互感器的過線孔，不然的話將無法檢測零序電流。另外的兩個端子K1和K2為零序電流二次信號提供輸出。

3.2故障選線方法分析

3.2.1 利用故障時穩態分量方法

這類方法目前應用較多，算法也比較豐富，包括：群體比幅比相法、零序功率方向法[11]、零序電流有功分量法、五次諧波分量法、各次諧波平方和法、最大△（Isinφ）法、基于負序電流的選線方法等。從投入現場效果顯示，這些基于穩態量的選線原理都有局限性。對經消弧線圈過補償系統、大電阻接地及現場干擾比較大的情況下往往會失效。

3.2.2利用故障時暫態分量方法

使用故障后的穩態分量檢測故障，主要問題是接地穩態分量太小，這經常使選線裝置不能正常動作，同時要求當發生短路時要有一個持續的穩態斷路過程，并不適用于間歇性電弧接地故障;在中性點接地系統中，故障產生的電容電流由消弧線圈的電感電流進行補償，從而使故障線路中的故障電流很小，甚至比健全線路還要小，因此，傳統的基于故障穩態信息檢測選線的方法不適用于中性點經消弧線圈接地系統。與穩態信號相比使用故障后的暫態分量進行故障檢測具有很大優越性：一是暫態信號幅值遠高于穩態信號，其中相差數倍到十幾倍，故障檢測靈敏度高;它不受消弧線圈和故障點電弧不穩定的影響，事實上，故障點的間歇性擊穿，不停地會產生暫態零序電流信號，這有助于故障的檢測。當選擇暫態信號選線的主要問題是其過程非常快，信號難以撲捉，并且外界對其的干擾影響比較大。與穩態算法相比，需要采集更多的采樣點，才能準確選定特征頻帶，計算量巨大。隨著微電子技術的發展，很容易記錄和使用復雜的數學算法來處理接地故障產生的暫態信號，暫態分量法具很強的生命力。

4、暫態分量的小波分析選線方法

4.1小波基的選取

使用小波分析線路故障時，公認的難點是對小波母函數的選取具有廣泛的爭議性，不同的母函數和小波基的選擇對實驗結果影響深遠，選擇難度很大，但在實際操作中選擇針對不同實驗環境進行定性分析的方法的情況較多。而對小波函數的選取中DbN小波系是當前使用相對廣泛的函數，這一小波系數據特性包含如下：支集長度L=2N，消失矩階數Mv=N;且隨著序號N的緩慢提升而導致時間局部性降低，但相應的正則性有所增加從而使得頻域局部性變優，有舍有得，優劣并存。而本文選擇小波分析的目的是合理分析故障信號并從中篩選中不合理部分，但往往實際應用中這些不合理部分表現出了極大地隨機不確定性，這就對小波的特性提出必然的客觀要求，必須選用相對波長較短，波動次數多的小波，信號的局部信息將被平均化從而失去頻率局部性。幸好選線判據的底線要求相對輕松，互相有一些混疊對選線性能不會造成實質性惡化。因此針對上述的硬性要求，本文選用Db6小波。

4.2暫態量選線判據的構造

暫態量選線的基本思路是：使用其分頻特性，把原信號的不同頻率成分分別投影到小波的細節頻帶上;由于在細節頻帶上的信號分量有可比性，其全部符合選線規則，依次對不同細節頻帶上的信號分量做大小和極性的比較，故障的線路就可判斷出來。通過零序電流互感器與零序電壓互感器得到選線所需信號，選線判據構造如下：

（1）以故障點為歷史節點開始，選線分析的數據段是故障前2個周波與故障后4個周波的數據，通過基于選取的正交小波采用Mallat快速算法對各條線路上零序電流進行小波分解，基于信號的采樣率，把信號分解到某一最大尺度，從而該尺度細節分量的頻段不含工頻，得到細節系數d1k，d2k，d3k，…，dmk其中m為分解的最大尺度，k為線路編號。

（2）設置一個故障標志fs（k）在母線和每條線路上.k為線路編號（k=0表示母線），且令初值為零。

（3）首先設定一個閾值ξ一般取為ξ=0.2～0.4 ，從m尺度即最大的尺度開始，對各條線路分別進行的小波變換都滿足|dmk（i≥ξ）條件的分量取出來并通過逐點進行比較。在滿足上述條件下的情況下，在各個點處找出使得小波變換模制最大的前三條路線，通過各線路之間的比較，若比較發現小波變換值異號即其中一條線路小波變換值與另外兩條異號時，則相應線路故障標志為fs（k）=fs（k）+1;如果三者都是同號，則母線故障標志為fs（0）=fs（0）+1;如果滿足閾值條件的線路數小于3條時，則相應點就認為是無效的，也就不進行上述判斷。再對m-1尺度按上述原則進行判斷，故障標志則繼續累加。

（4）母線及各條線路故障標志值可以經過兩種尺度即經m尺度和m-1尺度比較后得出，其中故障線路就是故障標志最大者對應的線路。

此判據也適用于對消弧線圈接地的電網，不過再使用此判據之前要做相應的改進。當中性點經消弧線圈接地時，其一般是工作在諧振補償狀態或者過補償狀態下。相對于k次的諧波電流，其消弧線圈的感抗也會增加k倍，電容中的諧波電流與線圈中的諧波電流的比值為K2：1。根據以上的說明，大于100Hz的諧波成分完全不受消弧線圈的影響，即其可以忽略消弧線圈的影響。所以暫態量的選線判據也是適用在此場合下。

4.3仿真實驗

利用中性點經消弧線圈接地的10kv電網仿真模型對四條線路測試，線路長度分別為0.5km，1km，1.5km和2km。線路參數如下：正序電阻R1=0.195Ω/km，零序電阻R0=0.743Ω/km;正序電感L1=1.91*10-4H/km，零序電感L1=8.72*10-4H/km ;正序電容C1=1.63*10-6F/km，零序電容C1=5.2*10-7F/km。消弧線圈運行為過補償方式，補償度取10%。小波算法中，采樣率為3200HZ，用Db6小波 按快速算法進行小波分解，分解到第四尺度。將漏電點接至線路4的A相末端，將過度電阻置零，設置仿真時間為0.1s，刀閘切換為：0.02s投入，0.05s斷開，啟動仿真按鈕，可得如圖5所示的波形圖以及如圖2所示的線路4的各尺度小波細節系數。

如圖3所示是非故障線路電流波形，非故障線路的各尺度小波細節系數如圖4所示。

由以上仿真圖形以及各線路的小波系數可得：故障線路的電流比非故障線路的電流變化劇烈，振蕩頻率高，衰減快，且故障線路小波分解系數的模值大于非故障線路，幅值相反。故障線路的電流經小波變換后，可更明顯的檢測到電流奇異點，從而可靠的選出故障線路。仿真表明，暫態量經小波分解后，用小波系數構成漏電選線判據是可行的。

結論：

漏電是井下電網的主要故障形式之一，危害性極大，不僅會導致人身觸電、單相接地、相間短路等故障，而且短路時產生的電火花可能會引起瓦斯和煤塵爆炸。因此，分析和研究漏電有利于設計高性能的漏電監測、保護裝置。本文首先介紹了研究漏電保護的工程背景及意義，然后分別討論了未發生漏電和單支路漏電故障的典型特征，緊接著介紹基于零序電壓、零序電流的檢測方法，最后介紹了利用故障時穩態分量方法和暫態分量的小波分析選線方法這兩種故障選線方法。

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作者簡介：

孫汝敏（1983-），男，江蘇連云港人，2006年畢業于太原理工大學電氣工程及其自動化專業，中煤新集能源股份有限公司工程師，現任電力公司一電廠廠長。