适用于矿山电网的单相接地故障选线新方法.pdf
第 4 2卷 第 1 O 期 2 0 1 6年 1 0月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n Vo 1 . 4 2 No .1 0 0c t .2 01 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 4 0 0 5 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 6 . 1 0 . 0 0 9 王清亮 , 赵东强 , 邵磊 , 等. 适用 于矿 山电网的单相接地 故障选线新方法 E J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 1 0 4 0 4 4 . 适用于矿山电网的单相接地故障选线新方法 王 清亮 , 赵 东强 , 邵磊 , 李 忠 西安科技大学 电气与控制工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 针对现有矿山电网故障选线方法信号检测灵敏度低、 受中性点运行方式及接地点电弧的影响大等 问题 , 分析 了单相 接地 故障 的序 电流及谐 波 电流特性 , 根 据基 波 负序 电流 主要 经接 地 线路 首端 流 向 系统 、 非 接地线路首端无基波 负序 电流流过等结论, 提 出了一种以基波 负序电流为主判据、 谐波总电流为辅助判据的 单相接地故障选线新方法, 并对该方法进行了可靠性分析及仿真计算。仿真结果表明, 与传统故障选线方法 相比, 该方法受中性点运行方式、 故障类型等因素的影响小, 具有更好的可靠性和 自适应性。 关键词 矿山电网; 故障选线 ; 单相接地故障;负序电流;谐波电流 中图分类 号 TD 6 0 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 1 1 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 9 3 0 . 1 0 1 1 . 0 1 3 . h t ml A n o v e l l i n e s e l e c t i o n me t h o d o f s i n g l e p ha s e g r o un d i n g f a u l t s ui t a bl e f o r c o a l mi ne p o we r n e t wo r k W ANG Qi n g l i a n g , ZHAO Do n g q i a n g , S HAO Le i ,L I Z h o n g S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d Co n t r o l En g i n e e r i n g,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 7 1 0 0 5 4,Ch i n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e ms t h a t e x i s t i ng f a u l t l i ne s e l e c t i o n me t ho ds f o r c o a l mi ne p o we r ne t wo r k ha d l o w d e t e c t i ng s e ns i t i vi t y a nd we r e e a s i l y i nf l ue n c e d by ne ut r a l p o i nt o pe r a t i on m o d e a n d e l e c t r i c a r c a t g r ou nd i n g po i n t ,c ha r a c t e r i s t i c s of s e q ue nc e c ur r e n t a nd ha r mo ni c c ur r e n t o f s i ng l e p ha s e g r o un d i ng f a u l t we r e a na l y z e d,a nd c o nc l u s i on s we r e g o t t e n i nc l u d i ng t ha t t he f u nd a m e nt a l ne ga t i v e s e qu e nc e c u r r e n t wa s a l l ot t e d t o di s t r i bu t i o n s y s t e m f r o m gr o und i n g l i ne h e a d, a nd n o f u nd a me n t a l ne ga t i v e s e qu e n c e c ur r e n t f l o we d t h r o u g h h e a l t h l i n e h e a d.Ac c o r d i n g a b o v e c o n c l u s i o n s ,a n o v e l l i n e s e l e c t i o n me t h o d o f s i n g l e p ha s e g r ou nd i ng f a ul t wa s pr o p os e d whi c h t o ok f u nd a me n t a l ne ga t i v e s e qu e n c e c ur r e n t a s t h e f i r s t c r i t e r i a a nd h a r m o n i c c u r r e nt a s t h e s e c o nd c r i t e r i a,a nd r e l i a b i l i t y a n a l ys i s a nd s i mul a t i o n c a l c u l a t i on a bo ut t he m e t ho d we r e t a ke n ou t .The s i mul a t i o n r e s ul t s s h o w t ha t t he r e i s l i t t l e i nf l u e nc e o n t he me t ho d by ne u t r a l po i nt op e r a t i o n mo de a nd f a ul t t y pe ,a n d t he m e t ho d ha s b e t t e r r e l i a bi l i t y a n d a d a pt a bi l i t y c o m p a r e d wi t h t r a d i t i o n a l me t h o ds . Ke y wo r ds c oa l mi n e p owe r n e t wo r k; f a ul t l i n e s e l e c t i o n; s i n gl e p ha s e g r ou n di n g f a ul t ; ne ga t i v e s e qu e n c e c u r r e n t;h a r mon i c c u r r e nt 0 引言 与公 用配 电 网 相 比, 矿 山 电 网 具 有 如 下 特 点 ① 矿山多属高危险场所 , 发生单相接地后要求立即 断电, 而公用配 电网则允许单 相接地后继续运行 ; ② 单相接地多伴有弧光 ; ③ 电流波形畸变较为严 收稿 日期 2 0 1 6 0 5 2 4 ; 修 回日期 2 0 1 6 0 8 1 9 ; 责任编辑 李明 。 基金项 目 陕西省 自然科学基础研究计划资助项 目 2 0 1 5 J M5 2 1 1 ; 陕西省教育厅科研计划资助项 目 2 o 1 3 J Kl O O 7 。 作者简介 王清亮 1 9 6 9 一 , 女 , 山西永济人 , 教授 , 博士 , 长期从事煤矿电气安全方面的研究工作 , E - ma i l wa n g x j q l 1 6 3 . c o rn。 2 0 1 6年第 1 O期 王清亮等 适用于矿 山电网的单相接地故障选线新方法 4 1 重 ; ④ 矿井 电气设备属防爆型设备 , 不允许拆 开外 壳接线 , 选线装置无法获取 同一条母线上所有馈线 的零序 电流 。这些特性使得矿山电网故障选线方法 与公用 电网故障选线方法有较大差异。 现有的故障选线原理通过比较同一条母线上所 有馈线 的零序 电流辨识接地线路[ 1 _ 6 ] , 选线方法分为 暂态量选线方法和稳态量选线方法 , 实 际应用 中主 要 采用 稳 态量 选线 方法 。稳 态 量选 线方 法 主要包 括 基 波 零序 分 量 法 ] 、 零序 有 功 电流 法 和 5次谐 波 分 量法[ 3 ] , 应用 中存在 的缺 陷 ① 信号 幅值 小 , 场干 扰大 , 信号检测灵敏度低 ; ② 基波零序分量法受 中 性点运行方式及接地点电弧的影响大。 针对 以上 问 题 , 本 文 深 入 分析 矿 山 电网 发生 单 相接地故障时的序电流特性 , 根据矿 山电网谐波量 较大的特点 , 提出了一种基于基波负序 电流和谐波 总电流的单相接地故障选线方法。该方法可有效改 善现有故障选线方法的不足 , 有 良好的 自适应性 和 可靠 性 。 1故 障特性 分 析 1 . 1 基 波 负序 电流分布 特性 矿山供电系统的母线上有多条馈线。当某馈线 发生单相接地故障 以 A相接地为例 时 , 根据对称 分量法 原理 ] , 基 波 负序 电流 在 系统 中的分 布 如 图 1所示。其中 B为母线 , i , j , f 为 3条馈 线 ; U 。 为 基波负序电压; i , 一 为接地点基波负序电流, I 一 为 流过接地线路 f 首端 的基 波负序 电流 , J 一 r 为流 向 接地线路 f 负载 的基波负序电流 , I 一 , I 。 一 j 分别为 非接地线路 i , j 首端的基波负序 电流, J 。 一 为流向系 统的基波 负序 电流 。 , z 分别为非接地 线路 i , J 的负序 阻抗 , z m , z 分 别 为 非 接地 线 路 i , J 上 负 载 的负序阻抗 , 为接地点至母线之间接地线路的负 序阻抗 , 为接地点至负载之间接地线路 的负序阻 图 1 基波负序 电流分布 抗 , z h 为接地线路 f 所接负载 的负序阻抗 , z 为系 统的负序阻抗 , 为接地阻抗。 由 图 1 可 知 I 一 f J 一 f 一 f 1 J 一 f J 2 一 i I 2 一 i I 2 一 s 2 负载负序阻抗较大 , 是线路负序阻抗 和系统负 序 阻抗 的近百 倍r 7 ] 。基 波负序 电流 的关 系 J ; 一 f J f 3 f J 2 一 s J 2 一 i . . 4 I I 2 一 s J 2 一 j 发生单相接地故 障时, 基波 负序 电流在矿山电 网中的分布规律 ① 基波负序电流经单相接地线路 流 向系 统侧 ; ② 在单 相接 地线 路 首端 流过 较 大 的基 波负序电流 , 非接地线路首端无基波负序电流流过 。 1 . 2 基 波 零序 电流 分布 特性 由于负载中性点不接地 , 基波零序 电流不流向 线路末端, 所 以发生单相接地故障时, 基波零序 电流 在系统 中的分布如图 2所示 。其 中 u 。 为基波零序 电压 ; I 为接地点基波零序电流, I 一 为流过接地 线路 f 首端的基 波零序 电流 , I 。 一 , f 分别 为非接 地线路 i , j 首端的基波零序电流 , J 。 一 为流向系统的 基波零序 电流 ; 儿 。 为接地线路 f的零序阻抗 , i L 。 , L o分别非接地线路 i , j 的零序阻抗 , 硒 为系统的零 序阻抗 。 图 2 基波零序 电流分布 由图 2可 知 I 一 f I o i J 0 _ _ 1 0 一 s J 0 一 f 5 系统零序阻抗远大于馈电线路的零序阻抗 , 因 此有 J 一 f I o s 6 I 一 f ≈ 1 0 一 i I o i 7 基波零序 电流在矿 山电网中的分布规律 ① 基 波零序电流不流经 系统侧和负荷侧 , 主要 经单相接 4 2 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 地线路 首端 流 向所 有 非 接 地线 路 , 单 相 接 地线 路 上 的基波零序电流值最大 ; ② 非接地线路首端流过基 波零序电流 ; ③ 基波零序电流受接地点阻抗、 中性 点运行方式和消弧线圈参数的影响大 。 1 . 3 序 电流特 性仿 真 以 3回馈 线的 1 O k V 供 电系 统为 例 进 行仿 真 。 系统 阻 抗 为 0 . 2 5 j o . 9 Q, 消 弧 线 圈 过 补偿 度 为 7 , 3回馈线的长度分别为 2 , 3 , 5 k m, 线路正序 阻 抗、 零序阻抗分别为 0 . 1 7 j o . 3 8 Q/ k m, O . 2 3 j 1 . 7 2 Q / k m, 对地零序容纳为 1 . 8 8 4 ff S / k m, 第 3条 馈 线 的负载不 对称 。 当消弧线圈退出运行 时, 各线路的基波负序 电 流和基 波零序 电流 波形如 图 3所示 。 由于线路 的零 序阻抗 比线路的负序阻抗大 , 所 以在接地线路首端 处的基波负序电流略大于基波零序电流 , 如 图 3 a 所示 ; 非接地线路首端处的基波负序电流很小 , 而基 波零 序 电流 远 大 于 基 波 负 序 电 流, 如 图 3 b 、 图 3 c 所示 。仿 真 的 基 波 序 电 流 规 律 与 理 论 分 析 一 致 。 3 2 1 蠖0 一 1 2 3 O . 0 . 5 0 O . 2 5 壤0 御 一O . 2 5 一 O . 5 0 c 非 援地 线 路 2 图 3 中性点不接地时各线路的序电流 当消弧线圈投入运行时, 仿真波形如图 4所示 。 由于非接地线路上的基波序 电流与没有接入消弧线 圈时的变化规律相同, 图 4中只给出接地线路的序 电流 波形 。 由于消 弧线 圈 的影 响 , 接地 线 路 首 端基 波零序电流迅速减小 , 且方向发生变化 , 而基波负序 壤 图 4 中性 点接 有 消弧 线 圈时 接 地 线 路 的 序 电 流 电流几 乎没 有变化 , 验证 了基 波 负序 电流不 受 中性 点 运行 方式影 响 的结论 。 2谐 波电流 特性 矿 山 电 网 中有 大 量非 线性 电气设 备 , 使 得馈 电 线路 中谐波含量较为可观 ; 实际运行 中, 纯阻性接地 故障发生率较低 , 单相接地往往伴有弧光 , 导致故障 电流中含有大量谐波。笔者近年来对 1 O个矿 山电 网进行 了谐波测试 , 结果表 明多数馈线的电流畸变 率波动范围为 4 %~1 O , 下井馈线、 通风馈线及提 升馈线 的 电流畸变 率更 高 , 甚 至达 2 O ~3 O 。 消弧 线 圈 的参 数 是 根据 基 波计 算 的 , 对各 次谐 波不具有 补偿 作用 , 因此 , 发 生 单 相接 地 故 障 时 , 谐 波的变化规律不受消弧线 圈的影响, 其特性与 中性 点不接地方式下基波零序电流的规律类似。 3 单相 接地故 障选 线新方 法 本 文提 出一种 以线路 基 波 负序 电流 为 主判 据 、 谐波 电流 为辅助 判 据 的单 相 接地 故 障 选 线新 方 法 , 选线 原理 如下 。 1 选线主判据。当基波负序 电流最大, 且该 线路基 波 负 序 电 流远 大 于其 他 馈 线 基 波 负序 电 流 时 , 判 断该线 路发 生单相 接地故 障 , 即 I f ma x E I ] - , E , ⋯, ] 8 n -- 1 k 一斤/ ∑ 9 J一1 式 中 为接地 线路的基波负序 电流 ; I ; - , , ⋯, 为各馈线的基波负序电流, 为总馈线数 ; k为基 波负序电流分布系数 , 由于非接地线路首端几乎无 基 波负序 电流 , 所 以 忌 O . 8 0 。 2 辅助 判据 。基波 负序 电流 不受 中性 点运 行 方式 、 馈线参数不平衡 的影响。但消弧线圈会减小 基波负序电流 , 影响选线灵敏性 。为消除消弧线圈 及低压侧负荷不对称 引起的选线误判, 选用谐波 电 流作 为辅助 判据 。接地 线路 的综合谐 波 电流为 砷 一 ma x E I , 贮, ⋯, ] 1 0 式 中 计, 雎, ⋯ , 砖 为 各馈线 的综 合谐波 电流 。 加 路 一 加 6 时 地 接 非 n 2 0 1 6年第 1 O期 王清亮等 适用于矿 山电网的单相接地故障选线新方法 4 3 4可靠 性分 析 4 . 1 性 能 分 析 发生铁磁谐振时, 电网零序电压会大幅升高 , 与 单相接地故障非 常相似 , 易导致 选线 装置误动作 。 铁磁谐振发生在线路对地分布电容和系统对地电感 之间 , 这是一个零 序 回路 , 而负序 电流不流经该 回 路 ; 原 西北 电力试验 研究所 对 1 0 k V 电网进行 计 算 , 得出系统中可能出现的谐振 主要为分频谐振和 基 频谐 振 _ 6 ] , 谐 波 电 流 特 性 不 受 系 统 谐 振 的影 响 。 因此 , 采用基波负序电流与谐波 总电流作 为选线特 征参数能有效提高故障选线的可靠性 , 避免误判 。 基 波负序 电流 的流通 回路不包含线 路分布 电 容 、 消弧线 圈, 其分布 规律不受配 电 网中性 运行方 式 、 线 路参 数 不平 衡 的影 响 ; 矿 山 电 网中性 点均 采用 非有效接地方式 , 负序 回路的振荡衰减 时间常数远 小于零序 回路 的时 间常数 。因此 , 基波 负序电流受 电弧的影 响较基 波零 序 电流小 , 有 良好 的抗 弧光 能力 。 在单相接地线路上 , 基波负序电流与基波零 序 电流在数值上相差不大 , 而在非接地线路上无基波 负序电流流过 , 本文通过分析基波负序 电流信号的 有无来辨识单相接地线路 , 相对于 比较各线路基波 零 序 电流 的方 法具有 更好 的灵 敏性 。 4 . 2 仿真计算与分析 以母线接有 5条馈线的 1 O k V供电系统为例进 行仿真 , 馈线长度分别 为 0 . 5 , 2 , 3 , 1 , 5 k m, 线路参 数与 1 . 3节中模型相同。第 1 条和第 4条馈线的负 载不 对称 。在 中性 点 经 消 弧 线 圈 接地 电 网 中 , 铁 磁 谐振及弧光的发生概率较低 , 因此 , 仿真中的弧光和 谐振算例只在中性点不接地方式下设置。仿真计算 结果 见 表 1 , 其 中 I 表示 中性 点 不接 地 , I I 表示 中性 点经消弧线圈接地。由表 1可知 , 接地线路首端 的 基波负序 电流远大于非接地线路的基 波负序 电流 , 基波负序电流分布系数 k均大于 0 . 9 8 , 接地线路的 综合谐波电流最大。 单相 接 地 时 的基 波 零 序 电流 和 有 功 电 流见 表 2 , 其中 I , I 分别为接地线路的基波零序电流和 有功电流 , , 一1 , 2 , 3 , 4 分别为非接地线路的 基波零序电流和有功电流 。计算结果验证 了中性点 运行 方 式变 化及 弧 光 对基 波 零 序 电流影 响较 大 , 有 功 电流受故障条件变化的影响小 , 但数值整体较小 , 表 1 单相接地故障选线新方法仿真计算结果 第 4 2卷 第 l O 期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动 化 I nd us t r y an d M i ne Aut o ma t i on Vo 1 . 4 2 NO . 1 0 Oc t . 2 O1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 4 4 0 4 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 . 1 0 . 0 1 0 田西方 , 李云波, 肖勇, 等. 矿用本安型无线透地通信系统设计r J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 1 0 4 4 4 7 . 矿用本安型无线透地通信系统设计 田 西方 , 李云 波 , 肖勇, 韩超超 中煤科工集团重庆研究院有限公 司, 重庆4 0 0 0 3 7 摘 要 介绍 了矿 用本安 型无 线透地 通信 系统 的组成 结构和 关键技 术 , 分析 了 系统 的工作原 理 。该 系统 采 用低 频 电磁 渡辐 射技 术 、 数 字通信 技术 和本 安 电源技 术 , 具有体 积较 小 、 重量较轻 、 使 用方便 的特点 。样机 实 验结果表明, 该 系统实现 了 5 0 m的双向透地通信 , 通信速率约为 1 5 0 b i t / s , 误码率不大于 0 . 2 , 具有一定 的 实用价值 。 关 键词 无线 透地通 信 ;双 向通信 ; 应 急救援 ;电磁 波辐射 ; 数 字通信 ; 本 安 电源 中图分类号 TD 6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 1 0 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 9 3 0 . 1 0 1 0 . 0 1 2 . h t m1 De s i g n o f mi n e u s e d i n t r i ns i c a l l y s a f e wi r e l e s s t hr o u gh t he - e a r t h c o mmu n i c a t i o n s y s t e m TI AN Xi f a n g,LI Y u n bo,XI A0 Yo n g, HAN Ch a o c h a o CC TEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ,Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ,Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o d u c e d s t r u c t u r e a n d k e y t e c h n o l o g i e s o f mi n e u s e d i n t r i n s i c a l l y s a f e wi r e l e s s t hr ou g h t he e a r t h c o mm u ni c a t i on s y s t e m , a nd a n a l y z e d wor k i ng pr i n c i pl e of t h e s ys t e m .The s y s t e m u s e s l o w f r e q u e nc y e l e c t r o ma g ne t i c r a d i a t i o n t e c hn ol o g y, di g i t a l c o mm u ni c a t i on t e c hno l o gy a nd i nt r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y t e c h n o l o g y , wh i c h h a s c h a r a c t e r i s t i c s o f s ma l l e r v o l u me 。 l i g h t e r we i g h t a n d e a s y op e r a t i o n.The t e s t r e s ul t s o f p r ot o t yp e s ho w t h a t t h e s ys t e m h a s r e a l i z e d 5 O m t wo wa y t hr o ug h t he e a r t h 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 4 1 1 ; 修 回日期 2 0 1 6 - 0 6 2 2 ; 责任编辑 张强 。 基金项 目 “ 十三五” 国家科技重大专项 民口 项 目 2 0 1 6 z xO 5 0 4 5 ∞ 2 0 0 3 。 作者简介 田西方 1 9 8 8 一 , 男 , 河南济源人 , 助理研究员 , 硕士 , 研究方 向为低频通信、 矿井水文物探 , E - ma i l t x f l 6 8 8 8 1 2 6 . c o rn。 检测 灵敏 度低 , 因此 采 用 线 路基 波 负 序 电 流和 综 合 谐波电流进行故障选线具有较高 的可靠性 。 5 结语 基于基波负序电流和谐波总电流的单相接地故 障选线方法 以基波负序 电流为选线主判据, 谐波电 流为辅助判据。与现有故障选线方法相 比, 该方法 受 中性点运行方式 、 故障类型等因素的影响小 , 可直 接 应用 于矿 山地 面变 电所 。该 方法应 用 于矿井 变 电 所时, 可只采用基波负序电流作为选线判据 。由于 基波负序 电流只流过接地线路首端, 不需要获取和 综合 比较所有线路 的故障信息 , 非常适合应用在矿 井 、 化工 、 石油等具有易燃性物质的企业 电网中。 参考文献 E l i 任志玲, 张嫒嫒. 基于改进的 HHT变换和信心度的配 电网故 障 选 线 [ J ] . 电 力 系 统 保 护 与 控 制 , 2 0 1 5 , 4 3 1 0 8 1 3 . 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