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

姚珏菂，苏珂嘉，孟庆勇，陈 伟

（煤炭科学研究总院 北京 100013）

煤矿处于恶劣环境之中，井下供电系统经常发生各种类型漏电故障，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[1]。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）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[2]；

2）基于形态学或能量的方法；

3）基于暂态量特征，利用小波分析等算法选线的方法[3-6]等。

基于以上几种方法的选线由于以下原因造成局限性，在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，能够有效地提高漏电故障选线的准确率。

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

系统各条支路零序电流方向及大小关系如图1标示，其中流经L1线路始端零序电流大小为

即非故障支路零序电流大小之和，，非故障支路L2始端零序电流大小 I˙02为

非故障支路L3始端零序电流大小为

方向与故障线路相反。

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。套在每一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A/D转换，通过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电阻下降到整定值（例如100 kΩ）时，发出报警信息；对地电阻下降到危险值（例如10 kΩ）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。

2.2 方法应用

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，保护电阻J的值为5千欧，R作为采样电阻。

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10 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[7-8]，因为MATLAB具有很好的数值分析功能，在FFT计算方面具有良好的软件滤波性能，仿真模型如图3所示。

图3 仿真模型示意图Fig.3 Simulink model diagram

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（（Threephase Transformer Two Windings））， 变比为 6 kV/1 140 V，负载选用三相串联RLC负载（Three-phase Series RLC Load），设置为感性负载，用以模拟普通矿用电机。在每条支路上设置电阻和电容接地，用以表示各支路对地的绝缘电阻和分布电容，支路L1～L4的对地分布电容设置相同均为0.005 μF，支路L1、L2、L3的对地电阻设为10 MΩ，即相当于对地绝缘，支路L4的对地电阻设置为10 kΩ，模拟单支路三相对地绝缘平均下降的情况。低频电源电压为50 V，频率为10 Hz。低频信号经隔离变压器（Transformer）输出，经限流电阻R0、三相电抗器SK进入电网。在每条线路上套接零序电流互感器，互感器输出波形通过50 Hz陷波器、带通滤波器等信号调理模块处理后，将结果显示在示波器上。

仿真算法和相关参数设置如图4所示。

图4 仿真算法设置Fig.4 Simulation algorithm configuration

按照上述选定模块和设置仿真参数后，进行仿真，得到以波形图如图5所示。

图5 10Hz低频信号Fig.5 10Hz low frequency signal

当三相对地绝缘平均下降的情况，正常支路L1、L2、L3对地绝缘为10 MΩ，L4对地绝缘下降到10 kΩ，此时图5为零序电流互感器检测到的没有经过带通滤波器的低频信号波形，可以看到非故障支路L2、L3的故障电流远远小于故障支路L4的故障电流，并且故障电流在短暂振荡后趋于稳定，此时工频中性点偏移不大，零序电流互感器几乎难以收集到工频电流。可见，通过附加10 Hz低频信号的方法，对于中性点没有明显偏移的电网故障具有很好的检测效果，能够实现绝缘下降的实时监测和预警。

图6 50Hz工频频信号Fig.6 50Hz power frequency signal

当发生漏电故障时，中性点产生偏移，图6为工频信号在各支路上的波形，在故障支路绝缘大幅下降后，电流波形幅值才能和非故障支路区分开来。由此可以很好地选择出故障线路，再结合附加低频信号判据，极大的提高了漏电保护选线准确性。

4 结束语

该新型选线选线方法具有的有益效果：

1）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；

2）低频信号产生的零序电流波形与电缆对地绝缘状况基本呈线性相关；

3）能及时有效的预测可能发生漏电的支路，并上安全报监控系统，是一种集事故前预警、事故后选线皆有效的漏保方法；

[1]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，2012，38（3）:51-54.

ZhANG Guo-jun，SU Ke-jia.Line selection method of selective leakage protection based on characteristic quantity of zero sequence current[J].Industry and Mine Automation，2012，38（3）:51-54.

[2]王彦文，刘文军，高彦，等.基于零序电流群体比幅比相的选择性漏电保护新方案[J].北京：煤炭学报，2010（3）:515-519.

WANG Yan-wen，LIU Wen-jun，GAO Yan，et al.New selective earth leakage protection scheme based on zero-sequence current amplitude and phase comparison[J].Journal of China Coal Society，2010（3）:515-519.

[3]方章英，陈中华，张立.矿井移动变电站低压侧漏电保护[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30（2）:284-287.

FANG Zhang-ying，CHEN Zhong-hua，ZHANG Li.Faulty line selection with non-power frequency transient components of distribution network[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science Edition，2011，30（2）:284-287.

[4]庞清乐，华臻.基于S-粗集的小电流接地故障选线研究[J].北京:煤炭学报，2008（10）:1182-1186.

PANG Qing-le，HUA Zhen.Study on fault line detection based on S-rough sets in indirectly grounding power system[J].Beijing:Journal of China Coal Society，2008（10）:1182-1186.

[5]张帆，潘贞存，张慧芬，等.基于方向行波的小电流接地系统故障选线[J].北京：中国电机工程学报，2007（34）:70-75.

ZHANG Fan，PAN Zhen-cun，ZHANG Hui-fen，et al.Fault line selection in non-solidly earthed network based on direction traveling wave[J].Beijing:Proceedings of the CSEE，2007（34）:70-75.

[6]何润华，潘靖，霍春燕.基于变电抗的接地选线新方法[J].电力自动化设备，2007，27（12）：48-52.

HE Run-hua，PAN Jing，HUO Chun-yan.Faulty line selection based on variable reactance[J].Electric Power Automation Equipment，2007，27（12）：48-52.

[7]赵建文，侯媛彬.矿井电网漏电暂态特征分析及仿真[J].电力系统保护与控制，2010，38（19）:55-64.

ZHAO Jian-wen，HOU Yuan-bin.Analysis and simulation of leakage transient in coal mine low voltage network[J].Power system protection and control，2010，38（19）:55-64.

[8]牟龙华.矿井保护接地网电流与电压分布的仿真研究[J].电工技术学报.2000，15（1）:68-71.

MU Long-hua.Current and voltage distribution simulation for a protective earthing network in mine[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2000，15（1）:68-71.