基于一模分量的礦井高壓電網故障區段定位方法

趙建文， 陳佳麗

(西安科技大學 電氣與控制工程學院， 陜西 西安 710054)

0 引言

對于礦井高壓供電系統，《煤礦安全規程》第443條規定地面供電變壓器、發電機及井下配電變壓器的中性點嚴禁直接接地。因此，礦井高壓電網主要采用中性點經消弧線圈接地系統[1-2]。單相接地故障作為礦井高壓電網的多發性故障類型，其故障電流會受到消弧線圈對容性電流的補償作用而減小，使得故障難以檢測與識別，無法迅速切除，進而導致絕緣擊穿事故擴大，影響供電可靠性[3]。因此，根據單相接地故障特征快速識別故障區段，對于礦井高壓電網安全穩定運行具有重要意義。

近年來，配電網故障區段定位技術取得了很大發展[4]，但鮮有涉及礦井高壓電網故障區段定位技術的研究[5]。礦井高壓電網作為配電網的一部分，采用現有技術實現故障區段定位具有可能性[6]。根據故障特征量不同，現有配電網故障區段定位方法可分為穩態法、暫態法2種[7]。傳統的穩態法(如零序功率方向法[8]、區段零序導納法[9]、零序電流增量法[10]等)在中性點經消弧線圈接地系統中，特別是在過補償情況下存在定位死區[11]。暫態法通常根據不同的相模變換方法(如Karrenbauer變換[12]、Clark變換[13]等)對故障發生后系統的三相電流進行處理[14]，目前效果較好且理論研究最為廣泛的是瞬時對稱分量法[15]。利用該方法可得到零序電流的暫態量，從而構建故障判據[16]，確定故障區段定位方法[17]，但在實際應用中需配合相應的選相裝置[18]，且變換得到的暫態量會隨著時間衰減，造成故障特征辨識不可靠[19]。

本文提出一種基于一模分量的礦井高壓電網故障區段定位方法。對故障附加狀態下經Clark變換得到的一模分量簡化模型進行理論分析，結果表明故障點上游的電流一模分量遠大于故障點下游，且該特征不受消弧線圈補償度和負荷電流的影響。根據該特征構建了故障區段定位判據，同時確定了故障區段定位方法。該方法原理簡單，無需選相且易于工程實現。仿真及實驗結果表明該方法在不同故障條件下均可實現對故障區段的準確定位。

1 理論分析

1.1 模量選取

在不同的單相接地故障邊界條件下，經Clark變換后的零模量在諧振接地系統中易受消弧線圈影響，電流一模量和二模量見表1，其中ia,ib,ic為故障點三相電流[20]。可看出二模量在b相發生單相接地故障時失效，而一模量能反映所有的單相接地故障類型。因此，選擇經Clark變換后的電流一模量為對象，研究礦井高壓電網故障區段定位方法。

表1 單相接地故障下電流一模量和二模量Table 1 One-mode component and two-mode component of current under single-phase grounding fault

1.2 故障一模分量特征分析

故障附加狀態下的電氣量能夠反映線路的故障狀態，且不受系統負荷電流的影響，因此選擇故障附加狀態下的一模量(定義為故障一模分量)為特征進行分析[21]。

由于礦井高壓電網地處潮濕環境，線路較短且大多采用電纜線路，所以線路電阻和電抗較小，對地電容效應不可忽略。系統在發生單相接地故障進入穩態時，暫態高頻分量迅速衰減為零，等值電路呈現容性。為便于工程分析，僅考慮線路對地電容，以a相發生單相接地故障為例，根據疊加定理建立礦井高壓電網單相接地故障附加狀態模型，如圖1所示。其中UN為中性點對地電壓；L為消弧線圈(補償電感)；Pk(k=1,2,3,4)為電流監測點；C11，C12，C13，C14分別為區段P1-P2、區段P2-P3、P3至負荷側、P4至負荷側的對地電容；C2為饋線2對地電容；ufa,ufb,ufc為故障點三相對地電壓；ifa,ifb,ifc為故障點三相對地電流。定義故障點至母線的線路、母線、消弧線圈及其他健康饋線為故障點上游，故障點至負荷側線路及故障饋線的無故障分支為故障點下游。

圖1 礦井高壓電網單相接地故障附加狀態模型Fig.1 Additional state model of single-phase grounding fault of mine high-voltage power network

對上述模型中各部分進行Clark變換。

(1)

(2)

同理分別對b，c相發生單相接地故障后的系統進行Clark變換，可得中性點b，c相仍對地短路，對應的故障點電流一模分量分別為(1/3)If,(1/6)If。

(3)

考慮到一模分量等效模型中故障點下游電流一模分量為零，可對圖2(a)簡化，如圖2(b)所示，其中虛線箭頭方向即故障電流流向。

(a) 一模分量等效模型

由此得出故障附加狀態下故障點上下游電流一模分量特征：① 故障點上下游電流一模分量幅值存在顯著差異，為礦井高壓電網故障區段定位提供了理論依據。② 中性點經消弧線圈接地系統在一模分量簡化模型中相當于對地短路，避免了消弧線圈產生的電感電流對電流一模分量的影響。③ a，b，c任一相發生單相接地故障時都具有特征①，②，只存在模分量幅值差異，因此在進行故障定位前無需選相。

2 基于一模分量的故障區段定位方法

2.1 故障區段定位判據

礦井高壓電網是輻射性多段多分支結構的配電網絡，以圖3所示的簡單配電饋線多分支網絡為例，定義開關設備為節點1—7，①和②為分支節點[22]。

(1) 假設故障發生在區段5—6，則電流一模分量沿路徑1—2—4—5流入并與中性點形成電流回路。上游節點為1，2，4，5，下游節點為3，6，7。對于分支節點①，此時相鄰節點2，4的電流一模分量大小相等，而節點2 的電流一模分量遠大于節點3；對于分支節點②，相鄰節點4，5的電流一模分量大小相等，節點4的電流一模分量遠大于節點7。根據故障路徑上電流一模分量大小相等且不為零確定故障路徑為1—2—4—5—6。而在故障路徑上，根據節點5的電流一模分量遠大于節點6，確定故障區段為5—6。

圖3 配電饋線多分支網絡Fig.3 Distribution feeder multi-branch network

(2) 假設故障發生在區段2—3或2—4，由于該區段包含分支節點①，節點3，4都屬于負荷側線路，即處于故障點下游，所以區段2—3，2—4兩側的電流一模分量幅值差值相等，且在任一路徑中差值都是最大的。

由此可得故障定位判據：在分支節點處確定故障路徑，分支節點處不同方向的2個節點故障一模分量幅值差值相等時，可任選一條路徑作為故障路徑，不相等時選擇差值最小的方向為故障路徑。故障路徑確定后，故障路徑上相鄰節點故障一模分量幅值差值最大的為故障區段。

2.2 故障區段定位流程

按照上述故障區段定位判據實現中性點經消弧線圈接地系統的故障區段定位：根據變壓器二次側的零序電壓是否越限及三相電壓之間的關系確定是否發生單相接地故障，若是則利用故障一模分量幅值比較方法確定故障饋線。將故障饋線在發生故障前后的三相電流通過饋線終端設備上傳至主站，此時啟動故障區段定位程序即可確定故障區段。故障區段定位流程如圖4所示。

3 仿真驗證

3.1 仿真及結果分析

通過Matlab/Simulink模塊搭建10 kV礦井高壓電網仿真模型，如圖5所示。該網絡為典型的單電源輻射式結構，1—8為各區段對應的分斷開關，1和8對應的饋線開關所在線路為電纜線路，其余線路為架空線路[23]。線路參數見表2。將K點閉合即為中性點經消弧線圈接地系統。模型采用過補償10%的運行方式。

圖4 故障區段定位流程Fig.4 Flow of fault section location

圖5 礦井高壓電網仿真模型Fig.5 Simulation model of mine high-voltage power network

表2 線路參數Table 2 Line parameters

設區段3—4發生a相單相接地故障，故障接地電阻Rf=500 Ω，故障角α=60°。故障點上下游節點在故障附加狀態下電流一模分量波形如圖6所示。可見故障點上游節點的電流一模分量幅值明顯大于下游節點，雖在故障瞬間故障點下游會產生較大的沖擊電流，但其幅值仍小于故障點上游節點。

(a) 上游節點

(b) 下游節點

定義ΔIm,n為區段m-n(m，n=1,2，…，8，且m≠n)兩側的電流一模分量幅值差值。在2個分支節點處，ΔI1,2<ΔI1,6，ΔI2,3<ΔI2,5，因此確定故障路徑為1-2-3-4，故障區段定位向量M=[ΔI1,2ΔI2,3ΔI3,4]=[0 0 0.254]，ΔI3,4最大，由此確定故障區段為3-4。

3.2 方法適應性及特征正確性分析

3.2.1 不同故障條件下方法適應性分析

根據故障位置、故障初始角、故障接地電阻不同，對三相分別發生單相接地故障時的情況進行仿真，結果見表3—表5。可看出在不同的故障條件下，礦井高壓電網任一相發生單相接地故障時，故障區段兩側的電流一模分量幅值差值均明顯大于非故障區段，即使在高阻情況下該特征依然存在。這表明本文方法不僅能夠實現準確的故障區段定位，而且進行故障定位前無需選相。

表3 不同故障位置下故障區段定位結果(Rf=500 Ω，α=60°，過補償10%)Table 3 Fault section location results under different fault positions(Rf=500 Ω, α=60°, over compensation of 10%)

表4 不同故障初始角下故障區段定位結果(Rf=500 Ω，過補償10%)Table 4 Fault section location results under different fault initial angles(Rf=500 Ω, over compensation of 10%)

表5 不同接地電阻下故障區段定位結果(α=60°，過補償10%)Table 5 Fault section location results under different grounding resistances(α=60°, over compensation of 10%)

3.2.2 系統運行方式對定位結果的影響分析

為了驗證本文方法在分析部分故障特征量時不受消弧線圈補償度的影響，設置區段3-4發生單相接地故障，對不同運行方式下的故障區段定位進行仿真，結果見表6。可看出在不同補償度條件下，a，b，c任一相發生單相接地故障時，故障區段兩側電流一模分量幅值差值均明顯大于非故障區段，表明故障特征不隨系統運行方式而改變，且在任一相發生單相接地故障時始終存在，驗證了本文方法不受消弧線圈補償度及單相接地故障相的影響，可實現準確的故障區段定位。

表6 不同運行方式下故障區段定位結果(Rf=500 Ω，α=60°)Table 6 Fault section location results under different operation modes(Rf=500 Ω, α=60°)

4 實驗驗證

為了進一步驗證本文方法，采用380 V礦井低壓電網模擬實驗平臺(圖7)進行實驗，網絡拓撲如圖8所示。設置系統運行方式為過補償10%，限于實驗條件，故障初始角隨機，故障發生在電流監測點5和6之間。

圖7 380 V礦井低壓電網模擬實驗平臺 Fig.7 Simulation experimental platform of 380 V mine low-voltage power network

圖8 故障區段定位實驗網絡拓撲Fig.8 Network topology for fault section location experiment

a相發生單相接地故障且接地電阻Rf=500 Ω時，故障點上下游監測點的電流一模分量波形如圖9所示。可看出實驗與仿真結果相同，故障點上游電流一模分量幅值明顯大于故障點下游。實驗結果見表7，可看出a，b，c任一相發生單相接地故障時都具有同一故障特征，即不同分支故障路徑的分支向量最小，故障路徑上故障區段的定位向量最大。

(a) 故障點上游

(b) 故障點下游

表7 故障區段定位實驗結果Table 7 Experimental results of fault section location

5 結論

(1) 為保證礦井高壓電網安全穩定運行，提出一種無需選相、基于故障一模分量的礦井高壓電網故障區段定位方法。

(2) 該方法利用故障附加狀態下故障點上下游電流一模分量幅值差異性實現故障區段定位，具有特征顯著、不隨時間衰減、不受消弧線圈補償度及負荷電流影響的優勢。

(3) 仿真和實驗結果表明，該方法對于礦井高壓電網任一相發生的單相接地故障均能實現準確的故障定位，不受故障初始角、故障接地電阻、故障位置和系統運行方式的影響，且算法簡單，無需設置閾值，易于工程實現。