基于低頻階躍脈沖的礦井低壓漏電保護技術

霍耀佳，馬莉，李曄，吳楊，韓利

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏銀川 750011）

0 引言

煤礦作為一級負荷，保證其安全生產尤為重要。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，空氣潮濕，隨著開采的深入，井下溫度與濕度都將越來越高[1]，如果電氣設備和電纜長時間工作于這種環(huán)境下，其絕緣必然會因受潮而加速老化，導致電網(wǎng)對地絕緣電阻急劇降低，尤其是處于采掘工作面的電纜，受到擠壓或者碰撞的概率較大，更容易造成漏電事故，在漏電故障類型中，單相漏電故障發(fā)生的比例遠遠高于其他類型的漏電，約占70%左右[2]。由于我國煤礦井下低壓供電系統(tǒng)全部為中性點不接地系統(tǒng)，而中性點不接地系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng)，發(fā)生接地故障后特征量的量值比較小，容易造成漏電裝置判不出來或者誤判，從而產生誤動、拒動，一旦發(fā)生單相漏電故障，如果不能及時識別并切除故障，極易引發(fā)人身觸電傷亡、瓦斯和煤塵爆炸等重大煤礦安全事故[3]。長期存在的漏電流還會加劇電纜絕緣的惡化，直至發(fā)生單相接地、兩相短路等電網(wǎng)事故，嚴重威脅礦井電網(wǎng)的運行安全。根據(jù)文獻[4]中規(guī)定，井下低壓饋電線上，必須裝設檢漏保護裝置或者有選擇性的漏電保護裝置，保證自動切斷漏電的饋電線路。煤礦井下應用最廣泛的附加直流檢測式漏電保護方法由于不具有選擇性，在發(fā)生漏電故障后，需要斷開與之相關的所有線路，大大影響了煤礦井下的正常生產和通風[5]。為使系統(tǒng)在發(fā)生漏電后準確進行絕緣檢測并且能夠可靠切除故障線路，從而減小停電面積，因此研究礦井低壓供電系統(tǒng)的漏電保護方法具有重要的理論意義和實用價值。

1 礦井低壓供電系統(tǒng)

1.1 礦井低壓系統(tǒng)的結構

礦井1 140 V 低壓供電系統(tǒng)結構如圖1 所示。DW0為采區(qū)變電所的低壓總自動饋電開關，DW1-DW3為采區(qū)變電所的分支自動饋電開關，QC1-QC3為工作面配電點的電磁起動器，M1-M3為負載。

圖1 礦井低壓系統(tǒng)結構

對于礦井小電流接地系統(tǒng)，常以1 臺移動變電站作為獨立電源帶動多條線路運行，采用放射式和干線式結合的混合式供電方式。這種方式容易實現(xiàn)工況自動化，漏電故障發(fā)生后停電面積較小，繼電保護原理簡單，并且易于動作值的整定，同時造價較低，因此被廣泛應用，但是各線路長短、電力設備負載不盡相同，造成了礦井供電系統(tǒng)的結構多樣性和復雜性[6]。隨著設備容量的提升，系統(tǒng)電壓等級不斷在提高，井下低壓供電系統(tǒng)用于各采掘工作面的供電，其電壓等級主要有380，660，1 140 V。由于煤礦井下的作業(yè)環(huán)境惡劣，伴有潮濕、空間狹小等特點，且存在瓦斯爆炸的風險，因此輸電線路必須采用礦用電纜，且一些電力設備都要加裝隔爆外殼[7]。

1.2 漏電種類及動作值整定

根據(jù)煤礦井下電網(wǎng)的實際情況，漏電故障可分為集中性漏電和分散性漏電兩類[8]。集中性漏電，是指發(fā)生在電網(wǎng)中某一處或某一點，而其余部分的對地絕緣水平仍然正常的漏電，分散性漏電，是指整條線路或整個電網(wǎng)的對地絕緣水平均勻下降到低于允許水平的漏電[9]。集中性漏電又分為長期集中性漏電、間歇集中性漏電和瞬間性漏電三種類型[10]。

礦井單相漏電動作整定值是根據(jù)人身觸電安全電流進行整定的，對于交流系統(tǒng)人身能夠承受的最大電流有效值IH為30 mA，人身電阻RH通常取1 kΩ，因此在系統(tǒng)發(fā)生漏電后流過人身的觸電電流為

從而可以得到單相漏電時的動作整定R值為

對于礦井低壓供電系統(tǒng)，以常用的電壓等級為例，得到單相漏電動作電阻整定值，如表1所示。

表1 不同電壓等級下的單相漏電動作整定值

2 附加階躍脈沖信號技術

由于煤礦三相交流系統(tǒng)中采用附加直流檢測式漏電保護的方法不具有選擇性[11]，本文依據(jù)此現(xiàn)狀，擬向系統(tǒng)注入一低頻階躍脈沖信號，利用其表現(xiàn)在線路上的特征分量來實現(xiàn)礦井三相交流低壓供電系統(tǒng)的絕緣檢測技術和故障選線技術。

2.1 附加階躍脈沖信號技術原理

向系統(tǒng)注入的階躍脈沖信號表達式為

式中：U—階躍脈沖信號的峰值電壓，V；

T—階躍脈沖信號的周期，s。

式（3）經(jīng)快速傅里葉變換（fast Fourier transform,FFT）后可以得到輸出方波電壓信號的瞬時表達式為

由式（4）可以看出，階躍脈沖信號由正弦奇次（2n-1，n=1，2，……∞）諧波構成，即同時含有直流和交流成分。以n≤3 為例，階躍脈沖信號的組成結構如圖2所示。

圖2 階躍脈沖信號的基本結構

當?shù)V井低壓系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時，擬向系統(tǒng)注入階躍脈沖電壓信號，利用其直流、交流分量作用于線路后產生的特征值實現(xiàn)漏電保護。

由式（4）可以得到：

進而可以得到：

由式（6）可以看出，組成階躍脈沖的基波正弦幅值是2n-1 次諧波幅值的2n-1 倍，而2n-1 次諧波頻率是基波正弦頻率的2n-1倍。

2.2 階躍脈沖信號注入架構

在三相交流系統(tǒng)變壓器出口側注入階躍脈沖信號，如圖3 所示。為了保證階躍脈沖信號不被原有工頻信號干擾，應設置阻波電路，同時也需盡可能保證階躍脈沖信號最大程度地輸送到線路上，應設置濾波電路[12]。本文采用無源LC濾波、阻波電路，如圖4所示。

圖3 階躍脈沖信號注入架構

圖4 無源LC濾波阻波電路

為了阻擋工頻信號，應使阻波電路對工頻信號的等效阻抗呈現(xiàn)為無窮大，即C2和L2發(fā)生并聯(lián)諧振，設工頻信號角頻率為ωg，則有

對于階躍脈沖信號，應使濾波電路對所需階躍脈沖頻率的等效阻抗呈現(xiàn)為無窮小，即C1與C2、L2的并聯(lián)發(fā)生串聯(lián)諧振，L1與C2、L2的并聯(lián)發(fā)生串聯(lián)諧振，設需要用到基波頻率ω1和任意2n-1 次諧波頻率ω2n-1，則有

化簡可以求得C1，L1分別為

因此，所述的濾波電路對于注入階躍脈沖信號的基波與2n-1 次諧波信號的總阻抗接近于0，而對于工頻信號的總阻抗接近于無窮大，從而達到濾波和阻波兩方面的作用。

由于向系統(tǒng)注入的低頻階躍脈沖信號幅值小、頻率低，且通過濾波器的頻率均低于工頻，因此對原三相交流的影響較低，利用MATLAB 仿真軟件，通過對加入信號注入后原系統(tǒng)的線電壓進行測量得到波形如圖5 所示，其各次諧波含量如圖6所示。

圖5 注入后交流系統(tǒng)線電壓波形

圖6 交流系統(tǒng)線電壓基波及各次諧波含量

可以看出，向系統(tǒng)注入的低頻階躍脈沖信號對原三相交流電壓幾乎無影響，波形無毛刺、成分無諧波，解決了原系統(tǒng)和注入信號之間的相互干擾問題。

2.3 漏電保護技術

向系統(tǒng)注入階躍脈沖信號后，由于濾波電路對階躍脈沖的特定頻率信號阻抗呈現(xiàn)為無窮小，因此在漏電故障發(fā)生后得到等效電路，如圖7所示。

圖7 漏電等效回路

根據(jù)電路并聯(lián)關系，可以得到階躍脈沖基波和2n-1 次諧波電壓下流過故障線路的電流有效值Ig和非故障線路的電流有效值Ifg1，Ifg2。

階躍脈沖基波作用下：

階躍脈沖2n-1次諧波作用下：

設Kg=Ig（1）/Ig（2n-1），Kfg1=Ifg1（1）/Ifg1（2n-1）,Kfg2=Ifg2（1）/Ifg2（2n-1），聯(lián)立式（10）、式（11）可得：

由式（12）可以看出，當Rd趨近于無窮時，即未發(fā)生漏電故障時，Kg趨近于1；當Rd趨近于0時，即發(fā)生金屬性接地故障時，Kg趨近于2n-1。

2.3.1 絕緣檢測技術

根據(jù)式（12）所示，故障線路零序電流Ig基波和2n-1 次諧波的有效值之比Kg和漏電阻Rd存在一定關系，進而可以根據(jù)Kg反推出Rd的大小為

在漏電故障發(fā)生前，注入階躍脈沖信號的頻率，用到的諧波次數(shù)已知，各線路長度不變即分布電容一定；在漏電故障發(fā)生后，便可根據(jù)采樣零序電流基波與2n-1 次諧波有效值之比Kg實現(xiàn)絕緣檢測。

2.3.2 故障選線技術

由式（13）可以得到在漏電故障發(fā)生前后，非故障線路的零序電流基波與2n-1 次諧波有效值之比與Rd無關，恒為1；而故障線路在漏電故障發(fā)生前，即Rd趨近于無窮時和非故障線路所得比值相同也為1，但在漏電故障發(fā)生后，故障線路的Kg值介于1～2n-1 之間，表現(xiàn)為大于1，因此可以得到故障選線判據(jù)：

3 仿真驗證

搭建基于階躍脈沖注入的1 140 V礦井低壓系統(tǒng)漏電保護仿真實驗模型，如圖8所示。注入階躍脈沖的幅值為±24 V，頻率避開工頻信號為5 Hz，限流電阻為50 Ω，各線路對地絕緣良好，1號、2號、3號線路每相對地分布電容分別為0.3，0.8，0.5 μF。根據(jù)煤礦安全規(guī)定，結合人身觸電安全電流30 mA·s，1 140 V 三相交流系統(tǒng)的單相漏電動作整定值為20 kΩ，在1.5 s 時刻在1 號線路發(fā)生A相20 kΩ 漏電故障，分析所提出漏電保護方法的正確性與可靠性。

圖8 仿真模型

3.1 絕緣檢測技術

以n=3 為例進行分析，在系統(tǒng)1 號線路（每相分布電容為0.3 μF）發(fā)生A 相20 kΩ 漏電故障前后，對故障線路首端的零序電流進行采樣，利用FFT 對以階躍脈沖注入頻率為基的基波分量和5次諧波分量進行提取，得到二者有效值之比如圖9所示。由圖9可以看出，在1.5 s時發(fā)生20 kΩ 漏電故障后，Kg值由1上升至1.916并達到穩(wěn)定，利用式（13）可以計算得到漏電阻值為19 988.53 Ω，與20 kΩ的相對誤差為0.06%，驗證了利用階躍脈沖的特點實現(xiàn)絕緣檢測公式的正確性。

圖9 漏電前后故障線路Kg的變化

為了驗證不同漏電阻下絕緣檢測方法的精度，在0～1 MΩ 范圍改變漏電阻Rd的大小，仿真實驗得到n=2～4 下的Kg值，并計算得到Rdj值，計算值與真實值Rd二者之間的誤差如表2所示。

從表2 可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生兩個極端的漏電故障時，無法準確檢測出漏電電阻的大小，只能識別出漏電程度，對于Rd＜1 kΩ，Rd＞200 kΩ 的漏電故障，由表中數(shù)據(jù)結果顯示在n取不同值時存在相對誤差超過5%的情況；對于1 kΩ≤Rd≤200 kΩ 內的漏電故障，利用式(13)可以準確檢測出漏電阻值，且相對誤差在4%以內，進一步證實了此方法進行絕緣檢測的可行性。

表2 絕緣檢測誤差分析

3.2 故障選線技術

圖10 所示為1 號支路A 相發(fā)生20 kΩ 漏電故障前后故障線路和非故障線路的K值變化。在漏電故障發(fā)生前，各線路K值一致，恒為1，即證明此時未發(fā)生漏電故障；在漏電故障發(fā)生后，故障線路K值上升并達到穩(wěn)態(tài)值，而非故障線路無任何變化，仍然為1，故障線路Kg值在非故障線路Kfg值的上方，因此可以判定1 號為故障線路，2 號、3號為非故障線路，驗證了利用階躍脈沖特征進行故障選線的有效性。

圖10 漏電前后各線路Kg的變化

3.3 多因素對Kg的影響

為了驗證漏電檢測、故障選線方法的普適性，需要在不同工況下進行仿真實驗驗證結論的正確性，根據(jù)式（12）所示，Kg與漏電阻Rd、分布電容C1∑、低頻階躍脈沖頻率f和諧波次數(shù)n有關，通過改變這4 個參數(shù)，分析對基于低頻階躍脈沖的漏電保護方法可靠性的影響。

3.3.1Rd和C1∑對Kg的影響

首先分析線路參數(shù)的影響，Rd在0～500 kΩ 范圍內、C1∑在0～3 μF 范圍內變化時，設低頻階躍脈沖頻率為5 Hz，采用基波和5 次諧波分析得到結果，如圖11所示。

圖11 Rd和C1∑對Kg的影響

由圖11 可以看出，Rd在0～500 kΩ 范圍內、故障線路總分布電容C1∑在0～3 μF 范圍內變化時，Kg均在5～1 范圍內變化，即Kg隨著Rd，C1∑的升高而降低，與理論計算結果一致。在Rd非常大時，分布電容對Kg的影響較小，Kg呈現(xiàn)為接近于1 的水平面。

3.3.2f和n對Kg的影響

分析注入階躍脈沖模塊中低頻階躍脈沖頻率f和諧波次數(shù)n的影響，在2～6范圍內改變n，5～30 Hz范圍內改變f的大小，得到其對Kg的影響,如圖12所示。

圖12（a）表明當線路漏電阻為50 Ω，故障線路總對地分布電容為0.9 μF 時，階躍脈沖頻率f對Kg無任何影響，而諧波次數(shù)n的升高會導致Kg的升高，Kg呈現(xiàn)為一個與n線性相關的斜平面。圖12（b）表明當線路漏電阻為20 kΩ、故障線路總對地分布電容為0.9 μF 時，在f一定時，Kg隨著n的升高而升高，在n一定時，隨著Kg的升高而減小，這主要是因為f越高，容抗越小，容性電流的成分比例升高進而使Kg減小。圖12(c)表明當線路漏電阻為1 MΩ，故障線路總對地分布電容為0.9 μF 時，Kg不受f與n的影響，呈現(xiàn)為一個恒為1的水平面，即非故障水平面。

圖12 f和n對Kg的影響

4 結論

建立了基于低頻階躍脈沖信號注入的礦井1 140 V三相交流供電系統(tǒng)漏電保護仿真模型，通過理論分析和仿真實驗得到結論如下：

1）利用低頻階躍脈沖信號在系統(tǒng)各線路表現(xiàn)的特征能夠準確實現(xiàn)絕緣檢測，絕緣檢測的誤差在4%以內，能夠有效檢測1～200 kΩ 范圍內的漏電故障，在其他范圍內的計算結果誤差較大。

2）故障選線方法有效排除了漏電阻、分布電容、低頻階躍脈沖頻率和諧波次數(shù)的影響，線路和注入系統(tǒng)參數(shù)的變化僅會改變故障線路Kg的大小，而非故障線路Kfg恒為1，不影響故障選線的可靠程度。

3）向系統(tǒng)注入低頻階躍脈沖信號進行漏電保護的方法彌補了附加直流檢測式漏電保護的不足，利用注入信號在線路上產生的特征量大小及差異實現(xiàn)了絕緣檢測和故障選線技術，且注入方法和濾波電路構建容易，有利于提高冗余度。