煤礦電網(wǎng)單相漏電故障區(qū)段自動(dòng)定位探索

高宏杰， 趙建文， 郭秀才

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 甘肅 白銀 730913；2.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦電網(wǎng)是煤礦生產(chǎn)設(shè)備的動(dòng)力來源，可靠的電能供應(yīng)對(duì)于煤礦生產(chǎn)至關(guān)重要。單相漏電故障是煤礦電網(wǎng)中發(fā)生概率最高的電氣故障，約占煤礦電網(wǎng)電氣故障總數(shù)的80%。因此，煤礦電網(wǎng)的單相漏電保護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤礦電網(wǎng)可靠供電的關(guān)鍵技術(shù)。

煤礦電網(wǎng)多為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)(小電流接地系統(tǒng))，其中包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。目前，煤礦電網(wǎng)的單相漏電保護(hù)技術(shù)的研究重點(diǎn)在于檢測(cè)故障饋出線，即選漏。為了縮小停電范圍和制定檢修順序，在確定出故障饋出線后，需進(jìn)一步明確故障發(fā)生的位置。但目前仍通過人工查找故障位置，效率低且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

煤礦電網(wǎng)單相漏電區(qū)段自動(dòng)定位技術(shù)能夠確定故障所發(fā)生的區(qū)段，是更為精確的單相漏電保護(hù)定位方式，可避免傳統(tǒng)單相漏電保護(hù)停電范圍大的問題，有利于保證煤礦電網(wǎng)對(duì)重要負(fù)荷的供電。本文分析了單相漏電故障區(qū)段自動(dòng)定位的必要性，并對(duì)故障過程機(jī)理、故障信號(hào)處理及特征規(guī)律、定位方法進(jìn)行了研究，分析了存在的問題并給出了研究建議，以推動(dòng)煤礦電網(wǎng)單相漏電區(qū)段自動(dòng)定位技術(shù)的發(fā)展。

1 單相漏電故障區(qū)段定位研究的必要性

1.1 單相漏電故障檢測(cè)需求

煤礦采區(qū)變更頻繁，生產(chǎn)設(shè)備容量較大且啟停頻繁，煤礦出現(xiàn)巷道變形、掉矸或坍塌等情況時(shí)易損壞電纜絕緣，且煤礦生產(chǎn)環(huán)境特殊，井下空間狹小、空氣潮濕，因此，煤礦供配電系統(tǒng)易發(fā)生單相漏電故障。單相漏電易產(chǎn)生電火花，有引爆瓦斯的可能性。因此，特殊的煤礦生產(chǎn)環(huán)境需要高可靠的單相漏電檢測(cè)技術(shù)。準(zhǔn)確識(shí)別故障區(qū)段并隔離故障，可保證對(duì)非故障區(qū)域特別是重要負(fù)荷的電能供給，有利于煤礦安全生產(chǎn)。

1.2 單相漏電故障區(qū)段定位價(jià)值

目前，煤礦電網(wǎng)高壓部分的電壓等級(jí)一般為10 kV或6 kV，煤礦井下供電系統(tǒng)為全電纜網(wǎng)絡(luò)，供配電結(jié)構(gòu)多為干線串級(jí)結(jié)構(gòu)，具有多分支、短電纜、多段數(shù)、多級(jí)數(shù)的特點(diǎn)。同一等級(jí)電壓線路通常要穿越多個(gè)變電所才能到達(dá)采區(qū)。

在煤礦電網(wǎng)發(fā)生單相漏電故障后，通過選擇性單相漏電保護(hù)找出故障饋線，再對(duì)故障饋線的故障區(qū)段進(jìn)行自動(dòng)定位并快速隔離故障，可縮小停電范圍，對(duì)維持重要設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。

隨著智能饋電開關(guān)、千兆高速環(huán)網(wǎng)等技術(shù)設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用，電網(wǎng)的運(yùn)行信息可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取，為利用電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行故障自動(dòng)區(qū)段定位提供了條件。

實(shí)現(xiàn)單相漏電區(qū)段自動(dòng)定位的基礎(chǔ)性研究?jī)?nèi)容主要包括單相漏電故障過程機(jī)理、單相漏電故障信號(hào)處理及特征規(guī)律、單相漏電故障自動(dòng)定位方法。

2 單相漏電故障的過程機(jī)理研究

明確故障過程機(jī)理是獲得故障特征的前提，也是研究故障處理方法的基礎(chǔ)。在故障機(jī)理模型的基礎(chǔ)上獲得特征信號(hào)的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式，以便于構(gòu)造判據(jù)，確定單相漏電故障發(fā)生的區(qū)段。下面對(duì)單相漏電故障機(jī)理模型及其存在的問題進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)故障機(jī)理模型的研究提出建議。

2.1 單相漏電故障機(jī)理模型

(1) 故障穩(wěn)態(tài)過程序網(wǎng)絡(luò)模型。采用對(duì)稱分量法對(duì)穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行建模，將系統(tǒng)分解為傳統(tǒng)頻域內(nèi)的正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)及零序網(wǎng)絡(luò)。通過分析故障網(wǎng)絡(luò)，獲得故障物理量的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式，如零序電壓、零序電流等與系統(tǒng)電壓、電網(wǎng)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(2) 故障暫態(tài)過程序網(wǎng)絡(luò)模型。采用卡倫鮑爾變換對(duì)暫態(tài)過程進(jìn)行建模，將系統(tǒng)分解為1模、2模和0模網(wǎng)絡(luò)[1]。其中0模網(wǎng)絡(luò)即常說的零序網(wǎng)絡(luò)，0模電流暫態(tài)特征常被用于辨識(shí)故障。

(3) 暫穩(wěn)態(tài)一體化序網(wǎng)絡(luò)模型。文獻(xiàn)[2]利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法對(duì)礦井電網(wǎng)單相漏電暫穩(wěn)態(tài)一體化建模，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程的統(tǒng)一建模。利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法將系統(tǒng)分解為瞬時(shí)實(shí)部網(wǎng)絡(luò)、瞬時(shí)虛部網(wǎng)絡(luò)、瞬時(shí)零序網(wǎng)絡(luò)。瞬時(shí)零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與卡倫鮑爾變換條件下的0模網(wǎng)絡(luò)一致。

2.2 單相漏電故障機(jī)理模型存在的問題

(1) 若采用不同的變換方法對(duì)穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程進(jìn)行建模，除0模和零序網(wǎng)絡(luò)意義相同外，其他序網(wǎng)絡(luò)的意義不同。暫穩(wěn)態(tài)建模方法的不統(tǒng)一，導(dǎo)致后續(xù)故障信號(hào)不一致。而故障過程本質(zhì)是暫穩(wěn)態(tài)一體的持續(xù)和變化過程。因此，暫穩(wěn)態(tài)一體化的瞬時(shí)序網(wǎng)絡(luò)模型還需進(jìn)一步研究。

(2) 穩(wěn)態(tài)特征適用于中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)，在經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)特征存在盲區(qū)。

(3) 故障的建模與機(jī)理分析主要以選漏為目的，單相漏電故障過程的建模與分析研究只能選出單相漏電故障饋出線。而要確定某饋出線中的單相漏電故障區(qū)段，需分析故障饋線的故障點(diǎn)上下游關(guān)系。

(4) 單相漏電故障精確建模較為復(fù)雜。

2.3 單相漏電故障機(jī)理模型的研究建議

(1) 現(xiàn)代故障建模機(jī)理的深入研究應(yīng)同時(shí)考慮故障定位與選漏要求，從可觀測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分布角度研究建模。

(2) 將暫態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行一體化精確建模，檢測(cè)及探索更多可利用的故障特征。

(3) 探索數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障過程研究?，F(xiàn)有的單相漏電故障研究以建立電路模型為主要研究方式，屬于模型驅(qū)動(dòng)的研究方式。隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能檢測(cè)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，更多故障數(shù)據(jù)可以被錄波、存儲(chǔ)和獲取，因此，可基于故障數(shù)據(jù)挖掘探究故障過程機(jī)理。

3 故障信號(hào)處理方法及故障特征規(guī)律

故障信號(hào)處理方法及故障特征規(guī)律是故障區(qū)段定位方法建立的依據(jù)。目前故障信號(hào)處理方法及故障特征規(guī)律研究常用于故障選線和測(cè)距中。穩(wěn)態(tài)特征易受系統(tǒng)消弧線圈的影響，而暫態(tài)特征不受系統(tǒng)消弧線圈的影響。因此，目前研究主要集中于對(duì)暫態(tài)過程中故障特征的提取。暫態(tài)零序電流波形復(fù)雜，頻譜豐富，目前常用各種現(xiàn)代信號(hào)分析方法對(duì)暫態(tài)零序電流進(jìn)行分析。

3.1 故障信號(hào)處理方法分析

(1) 小波(包)分析法。應(yīng)用小波與小波包分析法提取暫態(tài)零序電流故障特征，通過小波分析獲得信號(hào)的時(shí)頻特性。利用小波(包)算法提取暫態(tài)零序電流的幅值、極性、特征頻帶能量等信息，實(shí)現(xiàn)故障選線和故障測(cè)距。小波(包)分析法的缺點(diǎn)是沒有成熟的選擇最佳小波函數(shù)的方法[3]。

(2) 其他分析方法。暫態(tài)過程機(jī)理復(fù)雜，信號(hào)非規(guī)整，含有的頻譜豐富，文獻(xiàn)[4-9]利用現(xiàn)代信號(hào)分析方法分析暫態(tài)零序信號(hào)，獲得故障暫態(tài)特征規(guī)律，如幅值、極性、能量、信息熵、直流分量、相關(guān)性、波形差異性等。prony算法在提取含衰減因子各次諧波方面有優(yōu)勢(shì)，但該算法需要迭代與擬合，對(duì)高頻信號(hào)擬合效果欠佳[4]。利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波特性，可輔助小波分析能量選線，但結(jié)構(gòu)元素的選取對(duì)濾波效果的影響需進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[5]利用希爾伯特-黃(HHT)變換提取零序電流行波波頭的極性選線，但HHT變換分析信號(hào)的邊界條件處理比其他方法復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]利用S變換良好的時(shí)頻局部化特性，計(jì)算能量集中的頻段，可實(shí)現(xiàn)故障選線。文獻(xiàn)[7]將矩陣束算法應(yīng)用于處理特征信號(hào)檢測(cè)故障。文獻(xiàn)[8]提出了信號(hào)距離度的模型，分析零序信號(hào)的差異性，實(shí)現(xiàn)快速單相漏電保護(hù)。文獻(xiàn)[9]利用改進(jìn)FastICA盲源分析辨識(shí)故障特征選線。

3.2 故障特征規(guī)律研究存在的問題

(1) 特征規(guī)律缺乏普適性?，F(xiàn)有特征規(guī)律是模型驅(qū)動(dòng)下的規(guī)律，是定性的特征規(guī)律，缺乏嚴(yán)格的理論證明，不具有各種故障條件的普適性。

(2) 現(xiàn)有故障特征規(guī)律研究主要以選線和測(cè)距為目的，對(duì)于故障上下游各區(qū)段的信號(hào)特征及其分布的研究較少。

(3) 獲得的故障特征規(guī)律主要針對(duì)永久性故障，對(duì)電弧型故障研究較少。

(4) 提取的信號(hào)特征存在混疊。

(5) 可用于故障辨識(shí)的信號(hào)有限。

3.3 故障特征規(guī)律研究建議

(1) 借鑒地面配電網(wǎng)故障特征研究方法和成果，對(duì)煤礦全電纜網(wǎng)絡(luò)單相漏電的特征規(guī)律進(jìn)行研究。

(2) 對(duì)電弧性故障機(jī)理及其特征規(guī)律、隨機(jī)干擾因素的影響進(jìn)行研究，更好地獲得特征規(guī)律。

(3) 對(duì)實(shí)用有效的信號(hào)分析和特征提取算法進(jìn)行研究。

4 單相漏電故障自動(dòng)區(qū)段定位方法

目前，單相漏電故障區(qū)段定位方法研究主要依據(jù)故障零序電流特征展開，包括基于穩(wěn)態(tài)量的方法和基于暫態(tài)量的方法。

4.1 基于穩(wěn)態(tài)量的單相漏電故障區(qū)段定位方法

基于穩(wěn)態(tài)量的單相漏電故障區(qū)段定位方法根據(jù)零序電流的大小、相差等穩(wěn)態(tài)過程中的故障特征進(jìn)行單相漏電故障區(qū)段定位。文獻(xiàn)[10]模擬采集零序電流值進(jìn)行定位。文獻(xiàn)[11]利用圖和樹結(jié)構(gòu)標(biāo)志及零序穩(wěn)態(tài)電流相位實(shí)現(xiàn)了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的定位。文獻(xiàn)[12]構(gòu)造基波零序電流故障方向測(cè)度定位，解決了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位問題。

4.2 基于暫態(tài)量的單相漏電故障區(qū)段定位方法

基于暫態(tài)量的單相漏電故障區(qū)段定位方法利用暫態(tài)零序電流行波、頻譜能量、脈沖突變量、脈沖極性波形相似性等進(jìn)行定位。文獻(xiàn)[13]利用零序電流行波實(shí)現(xiàn)定位，但單端行波法可靠性不高，難以識(shí)別故障點(diǎn)反射波[14]，行波法僅適用于分支少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中壓配電線路，且需要較高的采樣頻率[15]。文獻(xiàn)[16]采用小波包分解暫態(tài)零序電流，利用信息熵度量頻譜能量，對(duì)應(yīng)熵最大的線路段為故障區(qū)段，該方法在不同故障點(diǎn)、不同故障角、不同接地電阻條件下均可實(shí)現(xiàn)故障定位，但最佳小波函數(shù)的選擇難度較大。文獻(xiàn)[17]基于廣義S變換能量相對(duì)熵進(jìn)行故障區(qū)段定位，但在提取更具分辨能力的信號(hào)特征量方面有待進(jìn)一步改進(jìn)。文獻(xiàn)[18]以廣域同步測(cè)量為基礎(chǔ)，利用暫態(tài)零序電流脈沖突變與極性相反的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)煤礦電網(wǎng)故障區(qū)段定位，但電流突變法對(duì)弧光和間歇性接地故障效果差。文獻(xiàn)[19]提出利用暫態(tài)零序電流在暫態(tài)零序電壓上的投影分量特征實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位，解決了高阻接地問題。文獻(xiàn)[20]提出了DS證據(jù)理論融合暫態(tài)零序電流差異性、相關(guān)性、灰色關(guān)聯(lián)性的單相漏電保護(hù)方法，突破了單一特征方法的局限性，提高了容錯(cuò)性。

4.3 單相漏電故障區(qū)段自動(dòng)定位方法存在的問題

(1) 《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下高壓電網(wǎng)必須將接地電流限制在20 A以下，煤礦電網(wǎng)裝設(shè)了消弧線圈來限制電流大小。穩(wěn)態(tài)特征易受消弧線圈的補(bǔ)償作用影響，導(dǎo)致區(qū)段定位不準(zhǔn)。

(2) 暫態(tài)特征衰減快且不穩(wěn)定，對(duì)電壓過零、高阻接地等故障無法實(shí)現(xiàn)定位。

(3) 影響單相漏電故障特征的因素較多，且零序電流特征本身也存在缺陷，導(dǎo)致單相漏電故障區(qū)段定位方法存在局限性。

(4) 單相漏電故障特征微弱且易受不穩(wěn)定故障電弧及隨機(jī)因素的干擾，因此，定位方法的準(zhǔn)確性易受不穩(wěn)定電弧及隨機(jī)因素的影響。

(5) 煤礦電網(wǎng)單相漏電故障機(jī)理復(fù)雜，故障特征受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、故障合閘角、線路長(zhǎng)度、故障點(diǎn)的位置、接地電阻大小等多種復(fù)雜因素影響，導(dǎo)致現(xiàn)有故障識(shí)別方法適應(yīng)性不足。

4.4 單相漏電故障區(qū)段自動(dòng)定位方法研究建議

(1) 采用模式識(shí)別、人工智能、數(shù)字孿生[21]等新興技術(shù)，探索適用于不同中性點(diǎn)運(yùn)行方式的小電流接地系統(tǒng)故障區(qū)段定位方法，消除消弧線圈對(duì)故障識(shí)別的影響。

(2) 對(duì)于微弱且復(fù)雜的故障信號(hào)，研究專用于單相漏電信號(hào)檢測(cè)的高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確獲取。

(3) 單相漏電故障區(qū)段定位方法與裝置研究必須適合煤礦電網(wǎng)特點(diǎn)。煤礦電網(wǎng)線路全為電纜且井下生產(chǎn)環(huán)境特殊，對(duì)礦井電網(wǎng)的故障自動(dòng)區(qū)段定位裝置要求更高。

5 結(jié)語

故障區(qū)段定位對(duì)于煤礦電網(wǎng)的安全運(yùn)行及煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。分析了單相漏電故障區(qū)段自動(dòng)定位研究的必要性。對(duì)單相漏電故障機(jī)理模型、現(xiàn)有故障特征信號(hào)處理方法、基于穩(wěn)態(tài)量及暫態(tài)量的單相漏電區(qū)段定位方法進(jìn)行了介紹，對(duì)存在的問題進(jìn)行了總結(jié)，并給出了研究建議。煤礦單相漏電故障區(qū)段定位可考慮與目前的防越級(jí)跳閘裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)各種類型故障的防越級(jí)跳閘。