趙建文，　李科，　隨曉娜，　李鶴，　何濤，　張森林，　朱靜

(1.西安科技大學(xué) 電氣工程與控制學(xué)院， 陜西 西安　710054； 2.國網(wǎng)宿州供電公司， 安徽 宿州　234000)

礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)新方法

趙建文1，李科1，隨曉娜1，李鶴2，何濤1，張森林1，朱靜1

(1.西安科技大學(xué) 電氣工程與控制學(xué)院， 陜西 西安710054； 2.國網(wǎng)宿州供電公司， 安徽 宿州234000)

摘要：提出了一種基于最小二乘矩陣束算法的礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)新方法。該方法在附加直流源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提取各支路零序電流信號，利用最小二乘矩陣束算法提取各支路零序電流信號的直流分量；根據(jù)提取出的各支路直流分量，計算各支路的對地絕緣電阻值；若某支路對地絕緣電阻值小于動作值，則判斷該支路發(fā)生了漏電故障。仿真結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確、可靠，適應(yīng)性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：礦井電網(wǎng)； 漏電保護(hù)； 附加直流源系統(tǒng)； 最小二乘矩陣束算法； 直流分量； 絕緣電阻值

0引言

中國煤礦井下電網(wǎng)普遍為中性點不接地系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于健全相的對地電壓升高，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生弧光過電壓，長期存在的漏電電流和電火花使系統(tǒng)絕緣受到威脅，容易升級為短路故障。為了及時采取防護(hù)措施，須對井下電網(wǎng)進(jìn)行不間斷的絕緣狀態(tài)監(jiān)測，使絕緣水平保持在穩(wěn)定狀態(tài)，防止漏電電流間接引起的電弧將防爆型電氣設(shè)備的外殼燒穿，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備爆炸。漏電保護(hù)系統(tǒng)能夠檢查出漏電故障地點，并將其切除[1-2]?，F(xiàn)有的煤礦漏電保護(hù)系統(tǒng)主要分為選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)和非選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)。選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)主要基于零序過電流保護(hù)、零序功率方向保護(hù)；非選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)主要基于零序電壓保護(hù)、旁路接地保護(hù)、三相半波整流漏電保護(hù)、附加直流檢測式保護(hù)等[3]。零序過電流保護(hù)存在檢測靈敏度低，受系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路長度、過渡電阻等因素影響較大等缺點；零序功率方向保護(hù)存在保護(hù)動作電阻值不固定、需要有足夠的零序電流值才能動作等缺點；零序電壓保護(hù)、三相半波整流漏電保護(hù)存在動作值不穩(wěn)定、動作沒有選擇性等缺點；旁路接地保護(hù)存在保護(hù)無選擇性、動作值難以整定等缺點；附加直流檢測式保護(hù)存在保護(hù)無選擇性、保護(hù)動作時間過長等缺點。

本文提出一種新的漏電保護(hù)方法，即在附加直流源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提取各支路的暫態(tài)零序電流信號，利用最小二乘矩陣束算法提取各支路暫態(tài)零序電流信號的直流分量，進(jìn)而得到每條支路的對地絕緣電阻值并將其作為漏電保護(hù)判據(jù)，實現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)。

1最小二乘矩陣束算法

最小二乘矩陣束算法是一種以拉氏變換為基礎(chǔ)的參數(shù)識別估計方法。該算法采用復(fù)指數(shù)衰減線性組合來擬合等間隔采樣數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)適當(dāng)擴(kuò)充，可快速、準(zhǔn)確地分析出故障后真實的信號頻率、衰減因子、幅值和相位[4-8]。

設(shè)間隔采樣數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：f(x)為被測值函數(shù)；C1，C2，…，Cn為任意常數(shù)，n為采樣點數(shù)；λ為任意實數(shù)；t為時間。

矩陣束定義為

(2)

式中:f(t,L)為函數(shù)g(t)，h(t)的約束函數(shù)；L為束參數(shù)。

g(t)不能為h(t)的純量倍數(shù)。設(shè)觀測值為y(t)，給出y(t)后，選擇合適的g(t)，h(t)，L估計值，即可提取極點信息。

設(shè)信號可表示為M個具有任意幅值、相位、頻率和衰減因子的指數(shù)函數(shù)的線性組合，即

y(kΔt)=x(kΔt)+n(kΔt)=

(3)

式中：k=0,1,…,n-1；Δt為采樣時間間隔；x(kΔt)為真實信號；n(kΔt)為噪聲信號；Ai為第i(i=1,2,…,M)個信號的復(fù)幅值；Di為第i個信號的衰減因子；ωi為第i個信號的角頻率。

令信號極點zi=exp[(-Di+jωi)Δt]，則信號y(kΔt)的第k個采樣值為

(4)

令

(5)

(6)

利用Ψ1,Ψ2構(gòu)成矩陣束Ψ2-LΨ1。由矩陣束原理可知，信號極點zi即為Ψ2-LΨ1的廣義特征值，因此求解zi即可得到[Ψ1Ψ2]的廣義特征值：

(7)

式中bi為zi的廣義特征值。

(8)

式中E為M×M階單位矩陣。

(9)

第i個信號的復(fù)幅值A(chǔ)i滿足方程：

(10)

(11)

(12)

2漏電保護(hù)原理

2.1附加直流源系統(tǒng)漏電保護(hù)原理

附加直流源系統(tǒng)漏電保護(hù)原理[9]如圖1所示。在變壓器T的二次側(cè)采用三相電抗器SK制造人為中性點，連接零序電抗器LK。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相漏電故障時，附加直流源Uz所提供的直流電流Iz由其正極經(jīng)大地、絕緣電阻(RA，RB，RC)、SK、LK流回附加直流源負(fù)極，構(gòu)成回路?？刹捎们W表KΩ檢測電流，經(jīng)計算得出電網(wǎng)總的對地絕緣電阻，進(jìn)而判斷是否漏電。ZJ為直流電流繼電器，CA，CB，CC為三相對地電容，CN為隔直電容。

圖1　附加直流源系統(tǒng)漏電保護(hù)原理

采用附加直流源系統(tǒng)漏電保護(hù)原理能夠監(jiān)測整個電網(wǎng)的絕緣水平，保護(hù)全面且動作無死區(qū)，保護(hù)可覆蓋整個低壓供電單元，符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的以絕緣電阻作為判據(jù)的要求[10-11]，供電系統(tǒng)跳閘不受故障類型(對稱或不對稱)和故障時間、地點的影響，且對地絕緣電阻的計算易于編程實現(xiàn)。但該方法不具備選擇性，無法選擇故障支路，且以故障后穩(wěn)態(tài)特征量作為漏電保護(hù)判據(jù)，難以滿足漏電保護(hù)的速動性要求[12-13]。

2.2漏電保護(hù)新方法

本文在傳統(tǒng)附加直流源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出一種漏電保護(hù)新方法，即在每條支路上增加1個零序互感器，以獲取電網(wǎng)發(fā)生單相漏電故障時各條支路的暫態(tài)零序電流信號，然后利用最小二乘矩陣束算法提取各條支路暫態(tài)零序電流信號中的直流分量，并據(jù)此計算各支路的對地絕緣電阻值，將對地絕緣電阻值作為判據(jù)[14]，判斷出故障支路。具體流程如圖2所示。

3仿真實驗

3.1仿真模型

目前井下低壓供電系統(tǒng)大多采用380，660，1 140 V，其中660 V應(yīng)用最廣泛，因此本文針對660 V供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗。660 V供電系統(tǒng)模型如圖3所示。零序互感器位于各條支路首段。支路L1中各相對地電容為0.4 μF，對地絕緣電阻為60 kΩ；支路L2中各相對地電容為0.3 μF，對地絕緣電阻為60 kΩ；支路L3中各相對地電容為0.3 μF，對地絕緣電阻為60 kΩ；支路L4中各相對地電容為0.2 μF，對地絕緣電阻為75 kΩ。R為限流電阻，Rg為接地電阻。附加直流源DC電壓為36 V。

圖2　漏電保護(hù)流程

圖3　660 V供電系統(tǒng)模型

3.2仿真算例

算例1： 支路L3發(fā)生單相漏電故障，A相接地(系統(tǒng)過補(bǔ)償20%，則零序電抗器LK電感L=2.345 4 H，初相角θ=0°，接地電阻Rg=200 Ω。)

系統(tǒng)在t=0.01 s時發(fā)生單相漏電故障，各支路零序電流I波形如圖4所示。

取t=0～0.03 s的數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘矩陣束算法計算各支路的直流分量，進(jìn)而得出各支路的對地絕緣電阻值，結(jié)果見表1。

從表1可看出，系統(tǒng)過補(bǔ)償情況下，只有支路L3的對地絕緣電阻值小于11 kΩ。根據(jù)660 V供電系統(tǒng)漏電保護(hù)判據(jù)[15]，可判斷L3為故障支路?？煽闯雎╇姳Ｗo(hù)新方法在故障發(fā)生20 ms 內(nèi)即可選擇性判斷出故障支路。

圖4　系統(tǒng)過補(bǔ)償時各支路零序電流波形

指標(biāo)L1L2L3L4直流分量/A0.00180.00180.17910.00144絕緣電阻計算值/kΩ20200.20125絕緣電阻理論值/kΩ20200.20025絕緣電阻計算誤差/%000.50

算例2：L3發(fā)生單相漏電故障，A相接地(系統(tǒng)欠補(bǔ)償20%，則零序電抗器LK電感L=3.518 1 H，初相角θ=0°，接地電阻Rg=200 Ω)。

系統(tǒng)在t=0.01 s時發(fā)生單相漏電故障，各支路零序電流波形如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)欠補(bǔ)償時各支路零序電流波形

取t=0～0.03 s的數(shù)據(jù)，得出各支路的對地絕緣電阻值，結(jié)果見表2。

表2　各支路對地絕緣電阻值

從表2可看出，系統(tǒng)欠補(bǔ)償情況下，只有支路L3的對地絕緣電阻值小于11 kΩ。根據(jù)660 V供電系統(tǒng)漏電保護(hù)判據(jù)，可判斷L3為漏電故障支路?？梢娐╇姳Ｗo(hù)新方法在系統(tǒng)欠補(bǔ)償情況下仍能夠迅速判斷出故障支路。

3.3漏電保護(hù)新方法的適應(yīng)性

在不同補(bǔ)償狀態(tài)、接地電阻、故障角情況下進(jìn)行了大量實驗，結(jié)果見表3、表4?？煽闯雎╇姳Ｗo(hù)新方法不受上述因素的影響，未出現(xiàn)錯選或漏選情況。

表3　過補(bǔ)償狀態(tài)下漏電保護(hù)實驗結(jié)果

表4　欠補(bǔ)償狀態(tài)下漏電保護(hù)實驗結(jié)果

4結(jié)語

礦井漏電保護(hù)新方法在建立礦井電網(wǎng)附加直流源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用最小二乘矩陣束算法提取各支路暫態(tài)零序電流中的直流分量，并利用絕緣電阻值進(jìn)行選線。仿真結(jié)果表明，該方法能夠迅速地選出故障支路，可靠性較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳忠仁, 張波. 基于小世界網(wǎng)絡(luò)模型的補(bǔ)償電網(wǎng)單相接地故障識別與選線[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013,41(3):86-90.

[2]王韶,朱姜峰.基于改進(jìn)相關(guān)分析法的配電網(wǎng)絡(luò)單相接地故障選線[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012,40(15):76-81.

[3]趙建文，侯媛彬.工礦電網(wǎng)漏電保護(hù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[4]康小寧，劉鑫，索南加樂，等.基于矩陣束算法的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2012,36(12): 88-92.

[5]索南加樂，王晨清，康小寧，等.基于分布參數(shù)頻域模型識別的縱聯(lián)保護(hù)原理[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013,33(10): 145-153.

[6]康小寧，屈亞軍，焦在濱，等.基于最小二乘矩陣束算法的工頻分量提取方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2014,38(21):66-70.

[7]張亮，張新燕，王維慶.基于改進(jìn)多信號矩陣算法的電力系統(tǒng)低頻振蕩識別[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013,41(13): 26-30.

[8]趙建文，尹項根.最小二乘參數(shù)識別的礦井電網(wǎng)選漏[J].電氣應(yīng)用，2011,30(8): 54-57.

[9]高赟.一種附加直流電源漏電保護(hù)器的研制[J].工礦自動化, 2010，36 (4):22-24.

[10]張國軍，蘇珂嘉.基于零序電流特征量的選擇性漏電保護(hù)選線方法[J].工礦自動化，2012,38(3):51-54.

[11]潘東明.低壓電網(wǎng)中關(guān)于接地系統(tǒng)及漏電保護(hù)裝置的分析[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013(9):57.

[12]EISA A A A，RAMAR K．Removal of decaying DC offset in current signals for power system phasor estimation[C]//The 43rd International Universities Power Engineering Conference，Padova，2008：1-4．

[13]CHO Y S，LEE C K，JANG G，etal．An innovative decaying DC component estimation algorithm for digital relaying[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(1)：73-78．

[14]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M]. 4版.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[15]鄒有明，張根現(xiàn)，劉士棟，等.工礦企業(yè)漏電保護(hù)技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1546.012.html

A new leakage protection method for mine power network

ZHAO Jianwen1,LI Ke1,SUI Xiaona1,LI He2，HE Tao1，ZHANG Senlin1，ZHU Jing1

(1.School of Electrical Engineering and Control, Xi'an University of Science and Technology,

Xi'an 710054, China; 2.State Grid Suzhou Power Supply Company, Suzhou 234000, China)

Abstract：A new leakage protection method was proposed which was based on least-square matrix algorithm. In the method, zero sequence current signal of each brance is extracted on the basis of additional DC source system, and DC component of the zero sequence current signal is extracted by the least-square matrix algorithm. According to the DC component, insulation resistance value of each branch is calculated. If the insulation resistance value of a branch is bigger than action resistance value, the branch is judged as fault branch. The simulation result shows the method is accurate，reliable and with high adaptability.

Key words:mine power network; leakage protection; additional DC source system； least square matrix algorithm; DC component; insulation resistance value

作者簡介：趙建文(1973-)，男，陜西寶雞人，教授，博士，研究方向為電網(wǎng)故障診斷與電力系統(tǒng)信號處理，E-mail：617511357@qq.com。通信作者：李科(1987-)，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)故障檢測、電能質(zhì)量，E-mail:likefrp@126.com。 張玉武(1980-)，男，河南南陽人，工程師，現(xiàn)主要從事煤礦機(jī)電管理工作，E-mail:41557010@qq.com。

基金項目：陜西省科技廳計劃項目(2015GY049)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(2013JK0867)。

收稿日期：2015-09-07；修回日期：2015-12-15；責(zé)任編輯：李明。 2015-11-20；修回日期：2015-12-20；責(zé)任編輯：李明。

中圖分類號：TD60

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-01-26 15:46

文章編號：1671-251X(2016)02-0047-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.012

趙建文，李科，隨曉娜，等.礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)新方法[J].工礦自動化，2016,42(2)：47-51.