基于广域信息处理的井下选择性漏电保护技术

牛 淼

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿， 山西 古交 030200)

0 引言

近年来，随着我国煤机设备自动化水平和煤矿综采技术的提升，各大煤矿的煤炭生产效率和安全性也得到较大发展，同时也对矿井低压供电系统的稳定性、连续性提出了更高要求。电缆是煤矿井下电网的主要电力传输设备，其安全性极大地影响着煤机运转、物料运移、环境通风和人员输送等重要生产环节。井下电气设备众多，电缆分布广泛，使用环境复杂，容易因设备移动、环境腐蚀、人员误操作等对电缆的物理绝缘层造成损害，进而引发单相或多相漏电事故。实际生产中，因漏电事故导致的电气故障占80%以上，对生产稳定性和人员安全性影响较大[1-3]。

漏电事故发生时，为防止引发瓦斯爆炸等事故，应及时切断相应支路电源，并由维修人员进行故障排查和电力恢复，这就要求井下电网系统能够对漏电故障进行准确识别和区域定位。近年来，选择性漏电保护技术已广泛应用于井下漏电事故的防护，可自动识别漏电支路，但其判据相对比较单一，可能出现误判现象，亟需开发一种对漏电故障识别准确度和效率更高的系统[4-5]。针对这一问题，本文将对基于广域信息处理的井下选择性漏电保护技术进行研究。

1 漏电故障的电参数特征

各支路的零序电流表示如下：

(1)

(2)

(3)

图1 井下供电网络支路漏电模型

发生漏电故障线路中的零序电流如下：

(4)

图2 漏电故障时线路中的零序电流和零序电压向量图

2 基于广域信息处理的漏电保护设计方案

2.1 基本原理

基于广域信息处理的漏电保护技术是伴随着快速发展的通信和计算机技术而来的，相比于传统的漏电保护原理，其特点在于充分利用井下低压电力系统可获取的各种参数信息，并按照预先设定的决策方案输出最佳漏电保护策略，避免单一信息误差导致的误判，使对漏电故障的判定和对故障点的定位更加准确可靠。

2.2 广域保护区域层级划分方法

广域保护区域的层级划分方法包括分散式、干线式和混合式，其中分散式结构层级划分清晰，易于管理，因此较为常用。分散式层级可将决策权分配至各支路的保护终端，而非局限于一处统一的控制中心，既减小了控制中心的数据处理量，又提高了决策效率。具体来说，分散式广域信息系统是在原有支路的馈电开关位置增设“终端决策单元”RDU，各保护终端可根据所在支路的“本地测量单元”LMU的反馈信息对故障情况做出判断，然后在变压器总馈开关处增设“系统监控中心”SMC，如图3所示。

图3 分散式广域保护区域层级划分

实际生产中，由于单条支路的电缆线仍然较长，为便于精确定位和精细化管理，因此在每条支路上设置多级馈电开关，具体区域的划分原则如下：

(1) 对于分散式系统支路中的每个馈电开关，根据其服务设备的工作范围，对开关的控制区域进行划分，这样等于对各条支路进行了更加精细的区域划分，可在故障发生时缩小断电的影响范围。

(2) 对于分散式系统采用分层管理模式，在各馈电开关位置设置信息采集层和决策层，使各终端设备具备数据收集和分析功能。

2.3 基于广域信息处理的漏电保护流程

以图4为例，支路中一处RDU负责一处区域，各区域基于广域信息处理的漏电保护流程如下：LMU收集各支路的零序电压、零序电流等信号，上传至本支路的RDU，然后由RDU根据预设的故障分析决策对漏电故障进行识别，并将最终故障信息和定位数据发送至SMC，由SMC对故障进行最终判断，最后将馈电开关的动作信息反馈回LMU，控制开关跳闸，保护支路安全。

3 基于广域信息处理的故障选线与定位方法

为实现快速故障识别和故障点定位，可将基于广域信息处理的零序电压检测信号作为故障的快速识别依据，然后再利用零序电流相位的关系来进一步确定故障位置。

图4 基于广域信息处理的漏电保护流程示例

3.1 故障识别

3.2 故障区域定位

在确定漏电事故发生后，应进行故障区域的准确定位。各支路上的不同控制节点处设置有“终端决策单元”，可收集本区域的零序电流信号，然后上传至监控中心，通过与相邻区域信息对比，逐级分析比较，然后按预定规则进行故障区域定位，具体如下：

(1) 当所检测区域的零序电流幅值与相邻支路数值接近，且小于设定差值时，判定该检测区域无漏电故障。

(2) 当所检测区域的零序电流特征量的正负值与多数相邻支路相反时，判定该区域发生漏电故障，由“系统监控中心”下达漏电保护指令，相应区域继电器发生动作。

(3) 当所检测区域的零序电流幅值显著大于相邻支路数值时，判定该检测区域发生漏电故障，由“系统监控中心”下达漏电保护指令，相应区域继电器发生动作。

根据以上技术方案，可实现井下低压电网漏电事故的快速识别，以及故障点的准确定位和故障排除，提高煤矿生产的稳定性，降低漏电事故影响范围。

4 结语

针对煤矿低压电网系统常见的漏电故障及当前漏电保护系统存在的问题，本文首先分析了漏电事故发生时各支路中零序电压、零序电流等电信号的参数特征，然后对基于广域信息处理的漏电保护系统的工作原理、区域层级划分方法及漏电保护流程等进行了研究，在此基础上，提出了基于广域信息处理的故障识别和故障区域定位方法，由此可提高煤矿生产的稳定性，降低漏电事故影响范围，给企业带来较大经济效益。

参考文献：

[1] 李美璐.煤矿井下选择性漏电保护系统研究[J].山西煤炭管理干部学院学报,2016,29(4): 53-54.

[2] 甄恩赐.煤矿井下馈电开关选择性漏电保护研究[J].山东煤炭科技,2016(1):86-88.

[3] 高俊,王恒.煤矿低压选择性漏电保护检测方法的研究[J].煤矿机械,2015,36(3):56-57.

[4] 李洋.选择性漏电保护在煤矿井下供电系统中的应用[J].山东工业技术,2014(15):119.

[5] 徐朋冲.煤矿井下漏电故障的区段定位[D].西安：西安科技大学,2014：1-5.