煤电钻供电线路串联故障电弧检测技术研究

０ 概 述
易发生 。 目 前煤矿井下普遍采用的用于对煤 电钻供 电线路的故障进行 保护 的煤 电钻综合保护装 置采用 了载频检测技术 其原理 是载频 信号 检测 网路 阻抗 ，能有效 的检测并联短路 电弧电流引起 的网路阻抗变 化， 并及时切断 电源 ， 但 对串联 电弧电流却无法检测 人们发现造成电缆 芯线连接处接触不 良的原因很多 ． 但造成 煤电 钻供 电线 路电缆芯线连接处接触不 良的原 因主要是煤矿井 下煤电钻 的工作场所 一般 处于风道死角 ． 处 于高 温高湿环境 ． 空气 中的 ｃ ０ ， 等 酸性气体浓度较高 ．导线与接线端子联结处极易被氧化锈蚀 而松脱 ． 致使 导电面积减小 、 接触电阻变大 ． 电弧参与导 电． 引起局部过载导致 发热着火点燃 电缆或可燃性气 体 手持式煤 电钻乃移动负载 ． 为其供 电的电缆经常被卡在煤岩的夹缝 中． 被用力拉扯后芯线会出现断丝现 象， 更有时被掉落的煤岩砸 伤产生断丝放 电的电弧导电现象 由于起 初 的电弧性发热电流很 小且具有 随机性 ． 不能靠现有过载保护电路检
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煤电 钻供电线路串联故障电弧检测技术研究
芦 波 于 荣波 （ 北 京工 业职 业技术 学 院 ， 中国 北 京 １ ０ ０ ０ ４ ２ ）
【 摘 要】 为 了避免 煤电钻供 电线路 串联故障电弧发 热电流引起 的火灾和点燃 瓦斯造成爆 炸事故 ， 探讨为煤 电钻综合保护装置增加故障 电 弧保护功能。通过将 串 联故 障电弧 电流与正常工作电流的波形数据 比对 ， 找 出其差异特征， 分析 了 采 用现有检测技术的不足 ， 提 出利用单片机 作为信号处理单元 ， 应用高次谐波周期差别算法对电流信号进行检测和判断的故障电弧检 测方法。分析结果表明采用高次谐 波周期差别算法 的故 障电弧检测方法 ， － ， ｊ － ￣对由于电缆芯线接头被氧化或松 脱造成接触不 良产生的 电弧故障进行保 护。
测到并切断 电源 目前 采用低 压 串联 故障 电弧检测 技术 的电弧故 障断路 器 Ａ Ｆ Ｃ Ｉ （ Ａ ｒ ｃ Ｆ ａ ｕ ｌ ｔ Ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｒ ｕ ｐ ｔ ｅ ｒ １ 已在一些欧美发达 国家使用 ． 被用于航天 器、 家用 电器等易产生故障电弧而引发火灾的用电场所 目前我国对 故 障电弧检测还处于研 究阶段 ． 故 障电弧检测标准还在制 定中
（ １ ） 计算得到周期电流差别信号值 Ｄ ． ． 确定 Ｄ 是否超过所设定的阈值 。 其 中的阈值是经过大量实验测试所得到 ． 不同负载应设定不 同阈值 ． 以 达到准确精密的检测和降低误判率 当 Ｄ 超过此阈值达到规定次数的 情况下就认为检测到电弧故障 装 置起动保护动作将 电路断开 。 对于电钻负载 ． 其波形与正常工作 电流相 比 无 明显变化， 只是交流 过零区变大。 还需要在每个电压半周期内所发生的由于电弧导致的高次
②周期差别算法 ：可区分故障 电弧和重 复或连续变化 的干扰信
号。即 周期电流差别信号 ： Ｄ ￣ ＝ Ｉ Ｉ ＋ Ｉ ｎ ＋ ｌ － ２ Ｉ ｌ （ １ ） 式中 ， Ｉ 表示 于第一周期所测量 的线 电流数值 ； Ｉ 表示于第二周 期所测量的线电流数值； Ｉ 表示第三周期所测量的线电流数值。 通过式
【 关键词 】 煤 电钻 ； 供电线路 ； 串 联故 障电孤 电流 ； 高次谐 波周期 差别算 法； 故障 电弧检 测 ； 煤电钻 综合保护
２ ） 检测电弧发 生时． 电流 、 电压波形突变时的特征。 ①小波变换 ： 一种 窗口大小 固定 ． 形状可变 、 频 率和时间可变的时 煤矿火灾事故分析证 明． 电缆芯线接头被氧化或松脱造 成接 触不 频局部化分 析方法 。此种方法可 以反映电流信号突变 的时刻 和大小 ， 良， 致使连接处导电面积减小 、 接触电阻增大 ． 引起局部过 载导致 发热 综合分析后判定 故障电弧 的产生 ． 但此法不能区分干扰信 号 着火 点燃 可燃物 ． 是 引起电气火灾 的原 因之一 ． 这种现象铜 铝接 头更
图 １
其 中， ｋ＝ １ ， ２ ， ３ ， …， ｍ， ｐ 为正 常电流平 均谐波分量 ， ｐ 为 电弧 电 流平均谐波分量 这里 ｄ 为 ｋ次 电弧 电流谐波分量相对 于 ｋ次 正常电流谐波分量 的值 ， 可 以称之为谐 波分量相对变化 系数 。ｄ 能很好的表示出 当电路 中发生故障电弧时 ． 负载电流 的各次谐波的畸变程度 畸变程度越大 ． 说 明故障电弧对线路的影响越大 ． 可 以作为识别故障电弧的依据 ． 但
图ａ ） 与图ｂ ） 对比， 与正常工作 电流相 比 无 明显变化 ． 但 交流过零 此种方法难于排除重复变化的干扰信号 区变化较大 ． 波形出现 了毛刺——高次谐 波 ： 交流过零 区过后的 电流 ３ 高次谐波周期差别算 法 变化率无 明显变化 高次谐波周期差别信号 ： Ｈ ＝ ｌ ｄ ＋ ｄ ｋ ＋ ｌ － ２ ｄ Ｉ （ ３ ） 如何选择正确的数学算法 对采样信号 中是否存 在故障信号进行 式中， ｄ 表示于第一周 期的线电流谐波 分量相对变化 系数值 ； 判断 ． 根据不同性质 的负载可 以有不同的方法 ｄ 表示于第二一周期的线 电流谐 波分量相对 变化 系数值 ； ｄ ＋ 。 表 示第
２ 、 ４ 、 ６ 、 ８次 谐 波 。 设定 同一 负载下正常 电流 的 ｋ次 谐波分量为 ｐ 电弧电流的 ｋ
ａ ） 手电钻正常运行 电流 波形
次谐波分量 Ｐ ， 有公 式（ ２ ）
ｄ ｋ ＝ ｐ ｐ ＇ ｋ （ ２ ）
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ｂ ） 手 电钻有故 障电弧运行波形
谐波变化的差别进行统计， 才能做出精准判断 ． 减少保护误动作情况。
③谐波分量相对变化 系数算法
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１ 手持式 电钻负载线路故障 电弧 电流的特点
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图２
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图 ２为手 电钻 的故 障电弧 电流 与正常电流谐波分量相 对变化系 数 从 图中可以看 到谐波相对畸变程度最为明显 的前 ４ 次谐波分别是