矿井电网漏电保护新方法.pdf

第 4 2卷 第 2期 2 O 1 6年 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o mat i o n Vo 1 ． 4 2 No． 2 Fe b ． 2 O 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 4 7 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 2 赵建文 ， 李科 ， 随晓娜 ， 等． 矿井电网漏电保护新方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 4 7 5 1 ． 矿井电网漏电保护新方法 赵建文 ， 李科 ， 随晓娜 ， 李鹤。 ， 何涛 ， 张森林 ， 朱静 1 ． 西安科技大学 电气工程与控制学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ；2 ． 国网宿州供电公司，安徽 宿州 2 3 4 0 0 0 摘要 提 出了一种 基 于最 小二 乘矩 阵束 算法 的矿 井 电 网漏 电保 护 新 方 法。该 方 法在 附加 直 流 源 系统基 础上 ， 提取各支路零序 电流信号 ， 利用最小二乘矩阵束算法提取各支路零序 电流信 号的直流分量 ； 根据提取 出的各支路直流分量 ， 计算各支路的对地绝缘 电阻值 ； 若某支路对地绝缘 电阻值小于动作值， 则判断该支路 发 生 了漏 电故 障。仿 真结 果表 明 ， 该 方 法准 确 、 可靠 ， 适应 性 强 。 关键词 矿井电网；漏电保护 ；附加直流源系统；最小二乘矩阵束算法 ；直流分量；绝缘 电阻值 中图分 类 号 TD6 0 文献标 志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 4 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 4 6 ． 0 1 2 ． h t ml A n e w l e a k a g e pr o t e c t i o n me t h o d f o r mi ne p o we r ne t wo r k ZHA0 J i a n we n ，LI Ke ， S UI Xi a o n a ，LI He 。 ，HE Ta o ， Z HANG S e n l i n ， Z HU J i n g 1 ． S c h o o l o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g a n d Co n t r o l ，Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Xi a n 71 00 5 4，Chi na；2． S t a t e Gr i d Su z hou Po we r Su pp l y Co m p a n y，S uz ho u 23 4 0 0 0，Chi n a Ab s t r a c t A ne w l e a ka g e p r ot e c t i on m e t ho d wa s p r op os e d whi c h wa s b a s e d on l e a s t s q ua r e ma t r i x a l g o r i t h m．I n t h e me t h o d，z e r o s e q u e n c e c u r r e n t s i g n a l o f e a c h b r a n c e i s e x t r a c t e d o n t h e b a s i s o f ad d i t i o na l DC s ou r c e s ys t e m ，a nd DC c o mpo ne nt o f t he z e r o s e q ue n c e c ur r e n t s i g na l i s e x t r a c t e d by t he l e a s t s q u a r e m a t r i x a l go r i t hm ．Ac c o r di n g t o t he DC c o m p on e nt ，i ns ul a t i o n r e s i s t a nc e va l u e o f e a c h br a nc h i s c a l c ul a t e d．I f t he i ns ul a t i on r e s i s t a nc e v a l ue of a br a n c h i s b i g ge r t ha n a c t i on r e s i s t a nc e v a l ue ，t he br a n c h i s j u d g e d a s f a u l t b r a n c h．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h e me t h o d i s a c c u r a t e ， r e l i a b l e a n d wi t h h i g h ad a p t a bi l i t y． Ke y wo r d s mi n e p o we r n e t wo r k；l e a k a g e p r o t e c t i o n；a d d i t i o n a l DC s o u r c e s y s t e m ；l e a s t s q u a r e ma t r i x al go r i t hm ；DC c o m p on e n t；i ns ul a t i on r e s i s t a n c e v a l ue 0 引言 中 国煤 矿 井 下 电网普 遍 为 中性点 不 接 地 系统 。 系统发生单相接地故 障时， 由于健全相 的对地 电压 升高， 导致系统发生弧光过 电压 ， 长期存在的漏电电 流和电火花使系统绝缘受 到威胁 ， 容易升级为短路 故障。为了及时采取 防护措施 ， 须对井下 电网进行 不问断的绝缘状态监测 ， 使绝缘水平保持在稳定 状 态 ， 防止漏 电电流间接引起 的电弧将 防爆型电气 设 备的外壳烧穿 ， 进而导致设备爆炸。漏电保护系统 能够检查出漏电故障地点 ， 并将其切除[ 1 ] 。现有 的 煤矿漏 电保护系统主要分为选择性漏 电保护系统和 非选择性漏电保护系统。选择性漏电保护系统主要 基于零序过电流保护 、 零序功率方向保护 ； 非选择性 漏电保护系统主要基于零序 电压保护、 旁路接地保 护 、 三相半波整流漏 电保 护、 附加直 流检测式保护 等_ 3 ] 。零序过 电流保护存在检测灵敏度低 ， 受系统 运行方式、 线路长度、 过渡电阻等因素影响较大等缺 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 0 7 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 1 2 - 1 5 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 陕西省科技厅计 划项 目 2 0 1 5 GY0 4 9 ； 陕西省教育厅专项科研计划资助项 目 2 0 1 3 J K0 8 6 7 。 作者简介 赵建文 1 9 7 3 一 ， 男 ， 陕西宝鸡人 ， 教授 ， 博士 ， 研究方 向为 电网故障诊断与电力系统信号处理 ， E ma i l 6 1 7 5 1 1 3 5 7 q q ． c o rn。通信作 者 李科 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河南 商丘人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向为 电力系统故障检测 、 电能质量 ， E ma i l l i k e f r p 1 2 6 ． c o rn。 4 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 点； 零序功率方向保护存在保护动作电阻值不固定、 需要有足够的零序电流值才能动作等缺点 ； 零序 电 压保护 、 三相半波整流漏电保护存在动作值不稳定、 动作没有选择性等缺点； 旁路接地保护存在保护无 选择性 、 动作值难以整定等缺点 ； 附加直流检测式保 护存在保护无选择性 、 保护动作时问过长等缺点。 本 文提 出一 种 新 的漏 电保 护 方法 ， 即在 附 加直 流源系统基础上 ， 提取各支路的暂态零序电流信号 ， 利用最小二乘矩阵束算法提取各支路暂态零序电流 信号的直流分量 ， 进而得到每条支路 的对地绝缘电 阻值并将其作 为漏 电保护判 据 ， 实 现选择 性漏 电 保 护 。 1 最 小 二乘矩 阵束 算法 最小二乘矩阵束算法是一种以拉氏变换为基础 的参数识别估计方法 。该算法采用复指数衰减线性 组合来拟合等间隔采样数据 的数学模型， 经适当扩 充 ， 可快速、 准确地分析出故 障后真实的信号频率 、 衰减 因子 、 幅值 和相 位_ 4 _ 8 l 。 设 间隔采样数据的数学模型为 厂 z ≈ C 1 e x p 1 ￡ C 2 e x p A 2 ⋯ C e x p A t 1 式中 厂 z 为被测值函数； C ， C ， ⋯ ， C 为任 意常 数 ， 为采样点数 ； 为任意实数 ； t 为时间。 矩阵束定义为 厂 t ， L一 g L h ￡ 2 式中 f t ， L 为函数 g ， h 的约束函数 ； L为柬 参数 。 g t 不 能 为 h t 的纯量 倍数 。设 观测 值 为 ．y ￡ ， 给出 ￡ 后 ， 选择合适 的 g ￡ ， h ￡ ， L估 计 值 ， 即可提取极点信息。 设信号可表示 为 M 个具有任意 幅值 、 相位 、 频 率和衰减 因子的指数函数 的线性组合 ， 即 y k At 一 z k At n k At 一 M ∑A e x p [ 一D j 叫 k A t ] n k A t i 一 1 3 式中 k 一0 ， 1 ， ⋯ ， 一1 ； A t 为采样时间间隔； x k A t 为真实信号 ； k A t 为 噪声 信号 ； A 为第 i i 一1 ， 2 ， ⋯， M 个信号 的复幅值 ； D 为第 i个信号的衰减 因子； 为第 i 个信号的角频率 。 令信号极点 z 一e x p [ 一D j ∞ 。 a t ] ， 则信号 y k A t 的第 k个采样值为 M 愚 一∑A n k A t 4 1 令 r 0 1 ⋯ L一1 ] 一 l ．1 ．2 ⋯ l l l L CNL一1 NL ⋯ N一2 J 5 r 1 2 ⋯ L ] 一 I ．2 -3 ⋯ L I J N L N L 1 ⋯ N 一 1 J 6 利用 ， 构成矩阵束 一L W 。由矩阵束 原理可知， 信号极点 z 即为 一L 的广义特征 值 ， 因此求解 即可得到[ ] 的广义特征值 b 1 b 7 式 中 b 为 z 的广 义特征 值 。 将式 7 等号 两边 同时乘 以 的伪 逆 矩 阵 ，相减 可得其 等价 形式 一 z iE b 一 0 8 式中 E为 M M 阶单位矩阵。 由式 8 可知 ， 为 } _ 的特征值 ， 进而可得 ； 根据 一e x p [ 一D j 叫 A t ] 可得第 i 个信号的 衰减 因子 D 及 其角频 率 一二垦 璺 J ㈤ l l ma g 1 n z 一 一 第 i 个信号的复幅值 A 满足方程 O l 1 咒 A 1 A2 1 0 式 1 0 可根据最小二乘法求得 A ， 根据 A 可 得出第 i 个信号的相位 及幅值 A 一 a r c t a n ⋯ A l A l 1 2 2漏 电保 护原理 2 ． 1 附加 直流 源 系统漏 电保护 原理 附加直流源系统漏 电保护原理 如图 1所示 。 在变压器 T的二次侧采用三相电抗器 S K制造人为 中性点 ， 连接零序 电抗器 L K。当系统发生单相漏 2 0 1 6年第 2期 赵建文等 矿井电网漏电保护新方法 4 9 电故障时 ， 附加直流源 U。 所提供 的直流 电流 工 由 其正极经大地、 绝缘电阻 R ， R ， R 、 S K、 L K流回 附加直流源负极 ， 构成 回路。可采用千欧表 KQ检 测 电流， 经计算得出电网总的对地绝缘 电阻， 进而判 断 是否 漏 电 。Z J为直 流 电 流继 电器 ， C ， C ， C c为 三相对地电容 ， C 为隔直电容。 图 1 附 加 直 流 源 系 统 漏 电保 护 原 理 采用 附加 直流 源 系统漏 电保 护原 理能 够监 测整 个 电网的绝缘水平 ， 保护全面且动作无死区， 保护可 覆盖整个低压供电单元 ， 符合 煤矿安全规程 规定 的以绝缘电阻作为判据的要 求[ 1 n ] ， 供 电系统跳闸 不受故障类型 对称或不对称 和故障时间、 地点的 影响 ， 且对地绝缘 电阻的计算易于编程实 现。但该 方法不具备选择性 ， 无法选择故障支路 ， 且 以故障后 稳态特征量作为漏 电保护判据 ， 难 以满足漏 电保 护 的速动性要求[ 1 。 引。 2 ． 2 漏 电保 护 新 方 法 本文在传统附加直流源系统基础上 ， 提 出一种 漏电保护新方法 ， 即在每条支路上增加 1个零序互 感器 ， 以获取电网发生单相漏电故 障时各条支路的 暂态零序 电流信号 ， 然后利用最小二乘矩阵束算法 提取各条支路暂态零序 电流信号 中的直流分量 ， 并 据此计算各支路的对地绝缘 电阻值 ， 将对地绝缘 电 阻值作 为判据l_ 1 ， 判 断 出故 障支路 。具 体流程 如 图 2所示 。 3仿真 实验 3 ． 1 仿真模 型 目前 井下 低 压 供 电 系统 大 多 采 用 3 8 0 ， 6 6 0 ， 1 1 4 0 V， 其 中 6 6 0 V 应 用 最 广 泛 ， 因 此 本 文 针 对 6 6 0 V供电系统进行仿真实验。6 6 0 V供 电系统模 型如图 3所示。零序互感器位于各条支路首段 。支 路 L 中各相对地 电容 为 0 ． 4 F， 对地绝缘 电阻为 6 0 k fl； 支 路 L 中各 相 对 地 电 容 为 0 ． 3 F， 对 地 绝 缘电阻 为 6 0 k fl； 支 路 中 各 相 对 地 电 容 为 0 ． 3 F， 对地绝缘电阻为 6 0 k Q； 支路 L 中各相对 地电容为 0 ． 2 F ， 对地绝缘电阻为 7 5 k n。R为限流 电阻 ， 为接地 电阻 。附加直流 源 D C电压为 3 6 V。 获取各支路零序电流 利用最小二乘矩阵束算法处理零序电流 支路发生 单相漏 电故障 厂 报警并显示 故障支路 提取各 支路零序 电流 的直流分量 计算各支路对地 绝缘 电阻值 支路未发生单相漏 电故障 显示电网正常 图 2漏电保 护流程 图 3 6 6 0 V供 电系统模 型 3 ． 2 仿 真算例 算例 1 支路 发生单相漏 电故障， A相接地 系 统 过 补 偿 2 0 ， 则 零 序 电抗 器 L K 电 感 L一 2 ． 3 4 5 4 H， 初相 角 一0 。 ， 接地 电阻 R 一2 0 0 Q。 系统在 ￡ 0 ． 0 1 S 时发生单相漏 电故障， 各支路 零 序 电流 波形 如 图 4所 示 。 取 t 一0 ～0 ． 0 3 s的数据 ， 根据最小二乘矩阵束 算法计算各支路 的直流分量 ， 进而得 出各支路的对 地绝缘 电阻值 ， 结果见表 1 。 从表 1可看 出， 系统过补偿情况下 ， 只有支路 的对地绝缘 电阻值 小于 1 1 k fl。根据 6 6 0 V供 电系 统漏 电保 护判据l 】 引， 可 判断 L 3 为 故障支 路 。 5 O 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 O ． 4 O _3 0 ．2 O ． 1 O O． 1 - 0 ．2 一 O ． 3 非故障支路 L 图 4 系统过 补偿 时各 支路 零序电流波形 表 1 各支路对地绝缘 电阻值 可看出漏电保护新方法在故障发生 2 0 ms内即可选 择性判断出故障支路 。 算例 2 发生单相漏电故障， A相接地 系统欠 补偿 2 O ， 则零序电抗器 L K电感 L一3 ． 5 1 8 1 H， 初 相角 一0 。 ， 接 地 电阻 R 一2 0 0 Q 。 系统在 0 ． 0 1 s 时发生单相漏电故障 ， 各支路 零序 电流 波形 如 图 5所 示 。 图 5 系统欠补偿时各支路零序 电流波形 取 一0 n0 ． 0 3 S的数据 ， 得 出各支路的对地绝 缘电阻值 ， 结果见表 2 。 表 2 各 支路 对地 绝缘 电阻值 从表 2可看 出， 系统欠 补偿情况下 ， 只有支路 的对地绝缘 电阻值小 于 1 1 k Q。根据 6 6 0 V供 电系统漏电保护判据 ， 可判 断 L 为漏电故障支路 。 可见漏 电保护新方法在系统欠补偿情况下仍能够迅 速判断出故障支路 。 3 ． 3 漏 电保 护新 方法 的适应 性 在不 同补偿状态、 接地电阻、 故障角情况下进行 了大量实验 ， 结果见表 3 、 表 4 。可看 出漏 电保护新 方法不受上述 因素的影响 ， 未 出现错选或漏选情况。 表 3 过补偿状态下漏 电保 护实验结果 4结 语 矿井漏电保护新方法在建立矿井电网附加直流 源系统 的基础上 ， 利用最小二乘矩阵束算法提取各 支路暂态零序电流 中的直流分量 ， 并利用绝缘电阻 值进行选线 。仿真结果表 明， 该方法能够迅速地选 出故障支路 ， 可靠性较高。 参考文献 [1 ] 陈忠仁 ， 张波．基于小世界网络模型的补偿 电网单相 接地故 障识 别 与选 线 [ J ] ．电力 系统 保 护 与控 制 ， 2 o 1 3 ， 4 1 3 8 6 - 9 0 ． [ 2] 王韶， 朱姜峰． 基于改进相关分析法的配电网络单相 接地故障 选线 [ J ] ．电力 系统 保护 与 控制， 2 0 1 2 ， 4 0 1 5 7 6 - 8 1 ． [3 ] 赵建文， 侯媛彬． 工矿电网漏电保护[ M] ． 西安 西安 电子科技大学 出版社 ， 2 0 1 3 ． 第 4 2卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo l J 4 2 No． 2 Fe b ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 5 1 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 3 张玉武， 许华栋 ， 王莹莹． 支架压力监测数据分段拟合方法E J - 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 5 1 5 4 ． 支架压力监测数据分段拟合方法 张 玉武 ， 许 华栋 ， 王 莹 莹。 1 ． 永煤集 团股份有 限公司 新桥煤矿，河南 永城4 7 6 6 0 0 ； 2 ． 徐州博林高新技术有限责任公司，江苏 徐州 2 2 1 O O 8 摘 要 针 对 支 架压力 监测 系统 应 用于超 长 工作 面 时 ， 受 总线查 询周 期 限制 而 难 以兼顾监 测 支架压 力 中的 突发 奇 异信 号 与数据 实时传输 的 问题 ， 提 出一种 支 架压 力监 测 数据 分段 拟 合 方 法 。该 方 法按 照 支架 压 力监 测 系统 1个 查询 周期进 行 数据 分段 ， 在 某个 分段 内如 果数 据 量 小 于拟合 系数 量 ， 则 直接 传 输数 据 ； 如 果数 据 量不小于拟合 系数量 ， 则进行数据的多项式拟合 ， 获取拟合 系数并只传输拟合 系数。实验结果表 明， 该方法 大大减 少了传输数据量， 又不丢失重要数据 ， 同时实现了每个查询周期 固定数据传输量 ， 便于数据传输管理。 关 键词 支架压 力监 测 ；数据 拟合 ；分段 拟合 ；查询 周期 中图分类号 TD 3 5 5 ． 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 4 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 4 7 ． 0 1 3 ． h t ml Se g me nt d a t a f i t t i ng me t ho d f o r s u pp o r t p r e s s ur e mo ni t o r i n g ZH ANG Yuwu ，XU H u a do n g ， W ANG Yi ng y i ng 。 1 ． Xi n q i a o Co a l M i n e ，Yo n g c h e n g Co a l Mi n i n g Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，Yo n g c h e n g 4 7 6 6 0 0，Ch i n a ； 2 ． Xu z h o u B o l i n Hi n e w Te c h n o l o g y C o． ，Lt d． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t W h e n s u p p o r t p r e s s u r e mo n i t o r i n g s y s t e m i s u s e d i n o v e r l e n g t h wo r k f a c e ，i t i s v e r y d i f f i c u l t t o m e e t b o t h d e ma nd s of r e a l t i m e t r a n s mi s s i o n a nd c a p t ur i ng b ur s t s i gn a l s i n t he p r e s s ur e be c a u s e o f 收稿 日期 2 0 1 5 1 i - 2 0 ； 修 回 日期 2 0 1 5 1 2 - 2 0 ； 责任编辑 李 明。 作者简 介 张玉武 1 9 8 O 一 ， 男 ， 河南南 阳人 ， 工程师 ， 现主要从事煤矿机电管理工作 ， E ma i l 4 1 5 5 7 0 1 0 q q ． C O rn。 [ 4] [5 ] [6] [7] [ 8] [9] 康小宁 ， 刘 鑫 ， 索 南加乐 ， 等． 基 于矩 阵束算 法 的经消 弧线圈接地系统故 障选线 新方法 [ J ] ．电力系统 自动 化 ， 2 0 1 2 ， 3 6 1 2 8 8 9 2 ． 索南加乐 ， 王晨 清 ， 康 小宁 ， 等． 基于分 布参 数频 域模 型识 别 的纵 联 保 护 原 理 [ J ] ． 中 国电 机 工 程 学 报 ， 2 0 1 3， 3 3 1 0 1 4 5 - 1 5 3 ． 康小宁 ， 屈亚军 ， 焦在 滨 ， 等． 基 于最小 二乘 矩 阵束算 法 的工频分量 提取 方法 E J ] ． 电力 系统 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 3 8 2 1 6 6 7 0 ． 张亮 ， 张新燕 ， 王维庆 ． 基于改进多信号矩 阵算法 的电 力 系统 低 频 振 荡 识 别 E J ] ． 电 力 系 统 保 护 与 控 制 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 3 2 6 3 0 ． 赵建文 ， 尹项根 ． 最小 二乘 参数识 别的矿 井 电网选漏 [ J ] ． 电气 应用 ， 2 0 1 1 ， 3 0 8 5 4 5 7 ． 高资． 一种附加直流 电源漏 电保护 器的研制[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 4 2 2 2 4 ． [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [, 1 4 1 [ 1 5 ] 张 国军 ， 苏珂嘉． 基于零序 电流 特征量 的选择性 漏 电 保护选线方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 3 5 1 5 4 ． 潘东明． 低 压电网中关于接地系统及漏电保 护装置 的 分析I - J ] ． 电源技术 应用 ， 2 0 1 3 9 5 7 ． EI SA A A A ，RAM AR K．Re mo va l o f de c a yi ng DC o f f s e t i n c u r r e n t s i g n a l s f o r p o we r s y s t e m p h a s o r e s t i ma t i o n [ C] ／ ／ Th e 4 3 r d I n t e r n a t i o n a l Un i v e r s i t i e s Po we r Eng i n e e r i n g Co nf e r e nc e， Pa do v a， 2 00 8 1 - 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