张立勇 张仰行 张建军
国家能源投资集团国神公司三道沟煤矿 陕西榆林 719407
摘要：电力是煤矿生产的唯一能源，电力系统的安全性和运行状态直接影响着煤矿的生产和安全。煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，采掘面地质情况复杂，负载变化大，采掘设备移动工作，供电线路在反复的拖拽中易发生绝缘破坏、短路等情况的发生，造成井下供电线路漏电、短路事故难以避免。
关键词：煤矿供电电网；漏电；短路；选择性漏电；继电保护
1 必要性
根据《煤矿安全规程》规定，煤矿井下普遍采用中性点不接地（经消弧线圈接地）的运行方式，发生单相接地故障后，零序故障电流受运行方式的影响很大，造成故障特征不稳定，容易造成误判、漏判。煤矿井下配电系统一般采用的是中性点经过消弧线圈接地运行方式。发生单相接地故障时，流过接地点的电流除了全系统对地电容电流之和外，还有消弧线圈产生的电感电流，此电感电流与电容电流相互抵消，大大减小了流经接地点的电流。传统原理方式上的零序电流幅值判据和功率方向型判据的漏电保护的灵敏性受到影响，导致发生漏电故障时，误跳、拒跳情况时有发生。
2 漏电保护误动原因分析及现有漏电保护应用现状
2.1 漏电保护误动原因分析
高压系统是一个庞大的配电网系统，不管是地面还是井下，任一点接地，高压系统的所有电缆容性电流都从不同变电所汇集到接地线路，这个电流大小取决于单相接地时的运行方式和接地电阻大小。因漏电引起的大面积停电，一方面是由于漏电保护原理上的缺陷引起的，另一方面是由于连接上下级变电所联络开关的漏电保护定值无法确定造成的。如下图所示，红色线为容性电流流动方向示意。当井下电缆L1接地时，有电气连接的所有供电线路，不管是地面还是井下。他们的容性电流都通过1、2、3、4联络开关流入接地线路L1的接地点；二当地面变电所L2线路接地时，有电气连接的所有供电线路，不管是地面还是井下。他们的容性电流都通过1、2、3、4联络开关流入接地线路L2的接地点。对于1、2、3、4开关处的综合保护来说，系统接地时，流过他们的接地电流随着接地点的不同而不同，随着处在合闸位置的线路数量的不同而不同。这导致了联络开关的漏电定值无法确定。而规程又规定了所有开关都必须投漏电保护，这样，就很容易造成，地面或井下线路接地时，联络开关越级跳闸，造成井下大面积停电。
另一方面，由于接地情况复杂，有高阻接地，也有低阻接地，又加上矿上安装了消弧线圈，使接地电流的大小和方向都难以确定，使所有回路的漏电保护定值都难以确定。这样，基于零序电流本身大小和方向的漏电保护，不管是基于基波的还是基于五次谐波的，漏电定值和综合比较都不很准确，都有些失灵。因此，在接地时，往往乱跳，造成了大面积停电。
2.2 现有漏电保护应用现状
现有煤矿井下选择性漏电保护按照利用信号方式不同可分为主动式和被动式两种。主动式保护方法需向电网附加注入信号，目前常用的主动式方法主要包括信号注入法、残留增量法和中电阻法等几种。被动式选线方法利用电网发生接地故障时其自身产生的电压、电流信号（3I0,3U0）来进行保护，主要包括利用故障稳态信息选线法和利用故障暂态信息选线法两大类。目前，煤矿选择性漏电保护的选择，主要以零序电压、零序电流、零序功率方向保护为判据。由于消弧线圈的接入会补偿电容电流，可能造成各支路中零序电流的大小无法区分，相位相同，所以频繁出现漏电保护误动作，甚至出现井上漏电造成井下开关跳闸，严重威胁着煤矿安全供电，限制了选择性漏电保护的广泛应用。
2.2.1 零序电流比幅、比相法
零序电流比幅法，利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流幅值比健全线路大的特点，选择工频零序电流幅值超越门槛值的线路或者选择零序电流幅值最大的线路为故障线路；也可将故障后线路零序电流与故障前自身对地电容电流做幅值比较，选择变化最大的线路为故障线路。比相法是利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流方向与所有健全线路均相反的特点进行选线，零序电流在非故障线路上是由母线流向线路，而在故障线路上是由线路流向母线，两者恰好相反。
零序电流比幅、比相法的致命问题是不适用于谐振接地电网。由于该电网中消弧线圈补偿电流的存在，补偿后的电流是感性的，为流过消弧线圈的零序电流与非故障元件零序电流之差，往往故障线路电流幅值小于非故障线路；且故障线路零序电流的方向与非故障线路相同，都由母线流向线路。
2.2.2 零序功率方向法
零序无功功率方向法利用中性点不接地系统故障线路零序电流相位滞后零序电压90°，而健全线路超前零序电压90°的特点，选择无功功率小于零的线路为故障线路。不适用于谐振接地系统。
2.2.3 零序有功分量法
使用自动跟踪消弧电抗器的小电流接地系统中，可利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后且非线性电阻被短接之前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，故其零序电流为本身接地电容电流；故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，所以其零序电流为所有非故障线路的电容电流及LR串联支路的电流之向量和，即包含有流过的有功电流，且故障线路中的有功电流明显大于非故障线路的，可见通过检测各线路零序电流中的有功分量的大小就可选出故障线路。但这种方法零序电流中有功分量较小，不利于实现选择性，TA不平衡电流的影响仍然存在。
2.2.4 谐波法
由于故障点、消弧线圈、变压器等电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以5次谐波分量为主。由于消弧线圈是按照基波整定的，对5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的 ，可以忽略其影响。因此，故障线路的5次谐波零序电流比非故障线路的都大且方向相反，据此可以选择故障线路，称为5次谐波法。为了进一步提高灵敏度，可将各线路的3、5、7次等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。谐波法优点是可以克服消弧线圈的影响，但实际应用效果并不理想不能从根本上解决问题，因为负荷中的五次谐波源、电流互感器中的不平衡电流和过渡电阻的大小，均会影响保护精度。
2.2.5 零序导纳法
从分析中性点不接地或经消弧线圈接地电网故障前后各线路测量参数的思路出发，导出了在故障时测得的故障线路零序导纳与实际零序导纳不同、非故障线路与实际导纳相同的结论，对小电流系统接地故障进行保护，即：将各线路实际零序导纳的大小、相位记忆下来，与故障时测得的各线路的零序导纳大小、相位相比较，导纳大小或相位发生变化的线路即为故障线路；若所有线路都未发生变化，则判为母线故障。零序导纳法的关键是准确地测量线路的实际零序导纳。但实际上负荷变压器等元件也存在对地电容，其具体导纳值未知且是变数，所以，实际线路零序导纳的数值整定困难，对该方法的灵敏度影响很大。
2.2.6 最大 法
把所有线路故障前后的零序电流都投影到故障线路零序电流的理论方向上，计算出各线路故障前后的投影值之差，即最大 。显然，当差值的最大值大于零时，对应的线路为故障线路，否则为母线故障。此方法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值，从理论上基本消除了TA误差引起的不平衡电流的影响，减小了误判的可能性。但其算法有两个缺陷：计算过程中需选取一个中间参考正选信号，如果该信号出问题，将造成该算法失效；该算法在计算过程中需求出有关向量的相位关系，计算量很大。这使得最大 原理在实现过程中很难保证具有较高的可靠性和实时性。
2.2.7 能量法
定义线路零序电压和零序电流乘积的积分为能量函数，则根据故障前所有线路能量函数为零，故障后故障线路恒小于零、非故障线路恒大于零，且故障线路能量幅值等于所有健全线路和消弧线圈之和的特征，来判断故障线路。该方法适用于经消弧线圈接地系统，并且不受负荷谐波源和暂态过程的影响。但是接地电流中有功分量较小，且积分函数易将一些固定误差积累，因此其实际效果有待观察。
2.2.8 负序电流法
选择负序电流最大的线路或直接选择负序电流超越一定门槛的线路作为故障线路。线路TA三相特性一般情况下会有差异，由此产生的不平衡电流很可能会将系统实际的负序电流“淹没”，从而大大降低了保护灵敏度。而且这种方法受系统负荷不对称程度影响较大，负序电流的获取也比较困难。
2.2.9 首半波法
其原理是基于单相接地故障发生在故障相电压接近最大值附近这一假设条件，因为电力系统中单相接地有相当一部分是在雷击或者相电压峰值附近的情况下发生单相接地短路的。在相电压达到峰值附近发生接地时，故障相电容电荷通过故障线路对故障点放电，使得故障线路短路电流的首半波和非故障线路的方向相反。这在非谐振的系统中适用，对于谐振接地的系统，由于消弧线圈中电流不能突变，必须要经过一个暂态过程，在这个暂态过程里（此方法中取其中首半波长度的数据窗），相当于消弧线圈不起作用，短路接地电流的方向与非故障线路的电容电流的方向是相反的。但是，这种方法只能适用于故障相电压在峰值附近接地时；而在电压过零点附近，短路回路不经过暂态过程，故障线路和非故障线路的零序电流的方向是相同的，都是由消弧线圈提供零序电流；在发生两点接地时，还有可能不反映后接地的故障。因而，采用这种方法做出的保护装置的适用范围受到限制，实践应用也证明了这种保护的动作可靠性较差。
3 基于激励式自适应保护原理的选择性漏电保护
3.1 原理综述
当电网出现单相接地时，在PT二次侧的接地相与地之间向电网注入一个特殊信号，该信号感应到一次系统，通过接地相与接地点构成一个回路。
（1）注入信号仅在接地线路中流通，非接地线路中没有该信号，只要检测出各出线中有无注入信号电流，就可以方便地查找出接地线路。这是注入信号法保护原理。（2）对注入信号而言，电气上有连接的供电网络只有一个信号源，就像过流保护一样，上下级变电所可以通过时限进行上下级漏电保护阶梯式配合。进而，实现对高压供电网络的全方位的漏电保护 。
3.2 技术优势总结
信号注入法依靠故障时外加的注入信号进行选线，不受消弧线圈、系统，运行方式、零序电流的大小等因素影响，具有较高的选线准确率；注入信号选用一种特殊频率的信号，可以消除工频谐波的影响，有较高的准确度；信号注入法不必采取多路信号量集中比较的模式，而由分散安装的保护单元就地准确、迅速的判断出故障线路，符合井下供电系统运行的要求。
4 项目实施的关键技术
该项目主要采用分布式智能速断原理和激励式自适应漏电保护原理来解决煤矿井下电网普遍存在的越级跳闸和单相接地故障误动问题。主要的技术关键技术和创新点在以下几个方面：
4.1 采用附加注入信号、分散检测原理对单相接地故障进行检测
由于6kV系统发生单相接地故障后，故障信号受系统运行方式的影响很大，故障特征不稳定，难以进行准确的采集和可靠的辨识，容易造成误判、误跳。本项目另辟蹊径，不采用系统发生故障时自身的信息，而采用从外部注入信号的方式，注入信号稳定，流入到接地点和非接地点的信号差别明显，可以稳定地判断出接地故障线路。
4.2 采用分散式的注入信号检测方案
由于煤矿井下供电系统具有结构复杂、出线众多以及经常移动等特点，对注入信号的检测不适合采取集中检测的方案。本项目设计了高灵敏度的模拟滤波器和数字滤波器，嵌入到分散安装的光纤纵差保护器中，对注入信号实现了分散式的检测，实现了基于注入信号的分散式保护，较好的满足了煤矿井下供电系统的要求。
4.3 基于光纤传输、故障逻辑计算判别方式实现多点差动的光纤纵差保护
光纤差动保护是地面成熟的技术，能够成功解决短线路保护的难题。但地面光纤差动保护仅仅实现的点对点的差动，采用的是两端同步采样技术，两侧保护严格要求同步，造价昂贵。不适合煤矿井下供电实际要求。我们采用光纤传输方式，解决通道的抗干扰问题；同时传输的是故障发生时刻两侧开关的故障信息量，然后进行故障逻辑判断，不仅有点对点的差动模式、还有适合多级变电所的多点差动模式， 从而实现了短电缆线路的故障隔离。这种方式不仅适应了井下开关经常移动的特点，同时简化了硬件设计，降低了成本，较好的满足了煤电井下供电系统的要求。
5 经济效益分析
该项目的提出和研究主要为了解决井下供电系统发生故障后的快速、准确动作和故障隔离问题。如果不能做到快速动作和故障隔离，不仅会造成井下大面积停电，即使是单相接地故障，也势必会使系统绝缘进一步恶化，会诱发故障点打火花、单相接地故障发展为多相故障等严重情况，严重威胁井下的安全生产。此外，快速的故障检测和隔离还便于运行人员查找排除故障，提供工作效率，从而提供生产效率，保证安全生产。
6 结论和展望
光纤数字通信网络技术是众多通信技术中最有发展前景的技术之一，我们采用光纤作为通信介质，利用其传输容量大、距离远、不怕高压和雷电电磁干扰、对电场绝缘、频带宽和衰耗低等优点，作为我们解决防越级跳闸的具体措施、同时，通过将上下级开关保护器的故障信息进行逻辑判断，则减少了硬件设计，更适合煤矿井下的供电实际，不失为解决煤矿井下越级跳闸难题一种好的办法。通过本项目的研究与开发，能够完成6kV-35kV中性点非有效接地系统单相接地故障的自动选线功能，对于井下多级线路供电系统，还能采取分散工作的方式找出故障点所在的区段，与保护单元配合能够及时切除故障线路，确保井下生产安全和供电可靠性。目前大部分煤矿对于井下单相接地故障的选线和定位问题都没有得到较好的解决，目前通用的做法是借助稳态零序电流和零序功率方向确定故障线路和故障区段，但由于受系统运行方式、供电线路参数、故障点位置等因素的影响，现场应用效果不理想，上述问题也成为困扰井下生产、供电安全的难题之一，亟待解决，市场需求量十分可观。
结束语：
综上所述，在电网发生漏电情况的过程中，选择性漏电保护装置能够自动地将故障信号进行发送，要么是对故障支路电源进行实时地切断，也只有如此，才可以及时地避免出现相应的故障，最终确保供电的稳定性。近些年以来，我国一直非常关注煤矿企业的安全工作，本文所牵涉到的煤矿低压供电系统中选择性漏电保护的应用，它的目的是为了给煤矿矿井提供相应的指导和参考作用，进而防止煤矿矿井的作业发生漏电的情况，从而保障煤矿矿井用电的稳定性和安全性。
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论文作者:张立勇,张仰行,张建军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/28
标签：故障论文; 电流论文; 线路论文; 井下论文; 信号论文; 弧线论文; 煤矿论文; 《防护工程》2018年第8期论文;