第２２卷 第２期 Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．２ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１４年１月 Ｊａｎ．２０１４ 基才绝缘在线监测原理的矿井低压电网漏电保护 选线方法研究 姚珏药，苏珂嘉，孟庆勇，陈伟 （煤炭科学研究总院北京１０００１３） 摘要：分析了煤矿井下供电系统漏电故障模型及系统各条支路零序电流的逻辑关系．阐述了以此逻辑关系为基础． 结合低频信号附加法，进而提出基于绝缘在线检测原理的漏电保护选线方法。该漏电故障选线方法对于各种结构和 规模的供电系统具有较强适应性，特别是能够有效解决小规模供电系统中选择性漏电保护灵敏度低、可靠性差的技 术难题。仿真结果表明此漏电选线保护方法能够有效进行漏电故障选线判断。 关键词：电力系统：零序电流；选线方法；漏电保护；在线监测 中图分类号：’ｒＮ７０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１４）０２—００５６—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｍｉｎｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＹＡＯ Ｊｕｅ—ｄｉ，ＳＵ Ｋｅ－ｊｉａ，ＭＥＮＧ Ｑｉｎｇ—ｙｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓｅｄ ｌｅａｋａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｉｎｅ ａｎｄ ｌｏｇｉｃ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｚｅｒｏ・ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｂｒａｎｃｈ．Ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｉｓ ｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌｓ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｎｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｉｓ ｌｅａｋａｇｅ ｆａｕｌｔ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ｌｏｗ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｏｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｌｅａｋａｇｅ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｊｕｄｇｅ ｌｅａｋａｇｅ ｆａｕｌｔ ｌｉｎｅ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 煤矿处于恶劣环境之中．井下供电系统经常发生各种类 当前井下应用并不理想：故障电流小，有可能保护器整定困 难发生误动或小于电流互感器量程下限、采集困难；电磁干 型漏电故障．选择性漏电保护是煤矿供电系统的重要保护之 一。目前应用于井下的矿井选择性漏电保护装置效果不尽人 扰作用及零序回路对暂态量的放大作用、故障信号信噪比低 等。本文提出一种基于在线监测电网对地绝缘情况的漏电保 护选线方法．该方法克服了分布参数不同、电网不平衡等因 素引起的漏电保护误动作及保护整定值难以确定等问题，判 据特征明显、抗干扰能力强，有较强灵敏度，能够有效地提高 意，应用的各种基于稳态参数及暂态参数的选线方法时而发 生误动甚至拒动。特别地对于井下低压供电系统，由于系统 寄生参数小等原因，低压选择性漏电保护的选线判据相对不 明显、选线灵敏性很低，导致保护装置的可靠性差【ｌ１。因此，研 究高可靠性和灵敏性的选择性漏电保护方法以改善漏电保 护装置的性能．对确保安全生产和减小漏电故障危害具有重 漏电故障选线的准确率。 要意义。国内外已有的漏电保护选线方法主要基于以下原理 进行选线： １井下低压电网常用漏电选线方法及存在的问题 当前我国井下低压电网供电网络多采用变压器中性点 １）基于零序功率及电流幅值、方向等稳态量特征的故障 诊断方法［２１： ２）基于形态学或能量的方法； 不接地方式．井下发生漏电故障时由于三相电中性点位移 而产生零序电流 。，系统模型如图１所示，令故障点位于电 ３）基于暂态量特征．利用小波分析等算法选线的方法 等。 基于以上几种方法的选线由于以下原因造成局限性，在 收稿日期：２０１３—０６—０８ 稿件编号：２０１３０６０５７ 网支路Ｌ１。则故障点流过的零序电流 为各支路零序电流 之和。即 ） ＝ｆｍ１＋，０１２＋，位１＋，０ ２＋，∞ｌ＋， （１） 基金项目：中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目（２０１１ＭＳ００４） 作者简介：姚珏药（１９８４一），男，四川成都人，硕士。研究方向：煤矿井下供电安全、数字化监控系统、电力系统等。 ５６－ －姚珏药．等 基于绝缘在线监测原理的矿井低压电网漏电保护选线方法研究 系统各条支路零序电流方向及大小关系如图１标示，其 ＣＰＵ计算，实现绝缘在线监测。线路正常运行时，测量每条线 路的对地绝缘水平，显示电阻值；当任何一条线路的对地绝缘 中流经Ｌ１线路始端零序电流大小为 ３ ２ ， ＋， ＝∑∑ ｉ＝２ Ｊ＝Ｉ （２） 电阻下降到整定值（例如１００ ｋ１））时，发出报警信息；对地电 阻下降到危险值（例如１０ ｋｌｑ）时，零序电流互感器不仅采集 到５０ Ｈｚ的零序电流，同时采集到低频附加电流产生的零序 即非故障支路零序电流大小之和，，非故障支路Ｌ２始端 零序电流大／１，ｉ 为 ２ 电流，经过数值大小比较计算，可以判断出是哪一条线路发生 了单相漏电故障并发出跳闸指令，实现漏电选线。 ， ＝∑ Ｊ＝１ （３） ２．２方法应用 非故障支路Ｌ３始端零序电流大小为 低频信号附加方法如图２所示，低频电源产生低频信号 后，通过隔离变压器和三相电抗器耦合到工频电网上，保护电 ２ ＝∑ （４） Ｊ＝ｌ 方向与故障线路相反。 Ｌ ２ ，０１ 厶 ，口 ＋厶 图１供电系统漏电故障 Ｆｉｇ．１ Ｌｅａｋａｇｅ ｆａｕｌｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ 零序电流具有图１所示的方向特性．一直是选择性漏电 保护选线判据的重要依据，该方法是利用某支路漏电时，中性 点发生偏移产生对地电压，从而形成零序电流。简单使用这种 基于各支路之间方向关系的选线方法并不可靠．误差较严重． 井下电网的电压及负荷不可能做到绝对对称，电网不平衡或 者电网波动时，容易引发误判，判据的可靠性较低。 另外，中性点偏移产生的零序电流与对地绝缘值之间并 不是单纯的线性关系，还与电网分布参数紧密相关。以整定值 １０千欧为例，由于各煤矿甚至同一煤矿不同工作面的分布参 数有差异，导致达到１０千欧动作条件的零序电流大小不同． 给保护动作造成困难。 ２基于绝缘在线监测选线方法描述与应用 ２．１方法描述 基于以上考虑，研究一种基于绝缘在线监测技术，使用低 频信号附加法在变压器低压侧叠以低频、低压的电压信号．对 电缆绝缘电阻进行在线测量。套在每～条出线线路上的传感 器采集测量电流信号，经过信号调理后，进行ＭＤ转换，通过 阻．，的值为５千欧， 作为采样电阻。 Ａ Ｂ Ｃ ／ ， 、 Ｉ Ｉ～ Ｊ ｌ ｌ ｌ ｌ 、、、、、、、、、、、、、牛Ｔ哔制 ㈣ 、、、、、、、、、、、 、 Ｉ Ｉ 、 ， Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｃＴ｛～…哔制ｍ～～～～‘～●～ … ～～ ～～ ／、 ， 、 ｌ Ｉ 、 ， Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ —ＨＩ ｃＬｃ￣Ｒ ＴＴ ＴＴＴ ＝＝＝ 卜ｒｃ卜＿ｒ＿ ¨ Ｋ —、一＾— 厂一 图２附加低频信号供电系统 Ｆｉｇ．２ Ｌｅａｋａｇｅ ｆａｕｌｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ 低频信号产生后，通过三相电抗器耦合到电网上，当绝缘 良好时，由于信号的频率较低，不能通过分布电容形成回路， 若电网无波动此时中性点基本对称，故零序电流互感器中不 会采集到５０ Ｈｚ工频零序电流及１０ Ｈｚ低频零序电流。 绝缘下降时，电网中性点开始偏移，并随着漏电的发生而 逐渐加剧。此时故障支路的零序电流互感器相对其他支路能 够更为明显的采集到工频故障电流和低频故障电流，且１０ Ｈｚ 低频故障零序电流是低频线电流的３倍。 将采样结果分别通过滤波、放大等信号调理电路，提取 ５０ Ｈｚ和１０ Ｈｚ零序电流波形．利用低频１Ｏ Ｈｚ电流采样值计 算对地绝缘情况，实现选择性漏电保护；工频零序电流采样值 计算结果作为常规选漏后备保护整定值。 ３仿真验证 仿真试验选择ＭＡＴＬＡＢ中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块进行 ，因为 ＭＡＴＬＡＢ具有很好的数值分析功能．在ＦＦｒ计算方面具有良 好的软件滤波性能．仿真模型如图３所示。 如图３中所示．该仿真模型的主要参数设置如下：三相交 流电源电压为６ ｋＶ，变压器选用两绕组三相变压器（（Ｔｈｒｅｅ一 －５７—．
