电网技术 融合零序电流衰减直流分量的矿山电网接地选线_庄伟

F (t ) 为故障线路零序 图中：u0(t)为系统零序电压。 i0
其中： uA t
1 。根据叠加定理，若在 t=0 时刻发生单 3R 相接地故障则有 um t uA t 0 =U m cos t m
0
为故障前 A 相对地电压； m 为其
相位。利用微分方程描述 iL(t)如下 2 di (t ) NF d iL ( t ) 3G L L iL (t ) 3LC0 _ dt dt 2 GFU m cos(t m ) 1 其中： G G GF ， GF 。 3RF
[11]
NF i0 _
t
3L
3RF um(t)
NF C0 _
iL(t) 3R
iR(t)
Fig. 2
图 2 单相接地故障零序等效网络 Zero-selt
C0NF _ 分别为这 3 条线路的零序电流之和与每相对
地电容之和。易知
1 单相接地电流衰减直流分量的分布
煤矿高压电网是辐射型多分支结构的配电网 络，在不影响分析结果的前提下，可简化得到以集 中参数表示的单相接地故障零序等效网络如图 1 所 示。图中共有 4 条馈电线路 l1—l4，每相对地电容 分别为 C1—C4，L 为消弧线圈电感，R 为与消弧线 圈并联的电阻及其内阻的等效值， 馈线 l4 的 A 相出 现过渡电阻为 RF 的接地故障。um(t)为故障电动势，
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庄伟等：融合零序电流衰减直流分量的矿山电网接地选线
F i0 (t )
Vol. 38 No. 4
u0 t
故障时刻与系统参数影响)的衰减直流分量。 工程上 往往采用延时的方法作为权宜之策，但该延时难以 妥善整定。较短延时难以保证准确度，较长的延时 则不利于井下供电的安全性。一般认为应消除该量 以避免其对选线保护的准确度与速度影响。虽然有 较多算法可去除该分量，但过渡电阻和系统参数的 变化可能无法始终满足算法的应用前提[8-10]而引入 难以预料的误差。为解决上述问题，本文在对矿山 高压电网单相接地故障的低频暂态过程进行深入 分析的基础上，提出全新的基于零序电流衰减直流 分量与有功分量融合的零序低频暂态综合幅值判 据。该判据使用具有信号模型辨识能力的总体最小 二乘矩阵束 (total-least-squares matrix pencil ， TLSMP)算法
ZHUANG Wei, MU Longhua
(College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Jiading District, Shanghai 201804, China) ABSTRACT: As for coalmine high voltage distribution network, the decaying DC component of zero-sequence current during the single-phase earth fault obviously influences both velocity and accuracy of fault line selection. For this reason, on the basis of researching low-frequency transient process during single-phase earth fault in-depth, combining with total-least-squares matrix pencil algorithm a zero-sequence current low-frequency transient synthetic amplitude criterion, which integrates decaying DC component with active component, is proposed. The proposed criterion not only can reduce the influence of decaying DC component on the action velocity of fault line selection protection, but also can obviously enlarge the difference of criterion characteristic quantities between fault and non-fault feeders, thus the accuracy of fault line selection can be effectively improved. The correctness of the proposed criterion is validated by large amount of PSCAD/EMTDC based simulation of typical fault cases. KEY WORDS：coalmine power network; fault line selection of single-phase earth fault; total-least-squares matrix pencil; zero-sequence current low frequency transients; decaying DC component 摘要： 矿山高压电网单相接地故障中零序电流的衰减直流分 量对选线的速度与准确度均有很大影响。 为此， 在深入研究 单相接地低频暂态过程的基础上， 结合最小二乘矩阵束算法 提出了融合衰减直流分量与有功分量的零序电流低频暂态 综合幅值判据。 该判据不仅可在一定程度上降低衰减直流分 量对选线保护动作速度的影响， 而且能显著扩大故障与非故 障线路判据特征量之间的差别， 有效提升选线的准确度。 大 量基于 PSCAD/EMTDC 的典型故障实例仿真验证了该判据 的正确性。 关键词：矿山电网；单相接地选线；最小二乘矩阵束；零序 低频暂态；衰减直流分量 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.04.041
i0NF _1 t iR t 3R iL t 3L i0NF _ 2 t C2 C1 l2 l1
(2)
G
，
1 1 其 中 1,2 0 1 0 。 3LC0NF _
2
2
，
2C0NF _
i0NF _ 3 t
时刻也为定值，β 显然是过渡电阻 RF 的函数。 当过渡电阻较小时 β＞0，iL(t)具有如式(2)所示 的形式。
iL (t ) A1e1t A2 e 2t B cos(t )
2
流(正方向如箭头所示)； iL(t)和 iR(t)分别为流入消弧 线圈及其并联电阻的电流。 为便于分析，将图 1 进一步等效为图 2 所示电 NF 路。图中将 3 条非故障线路 l1—l3 并联， i0 _ (t ) 和
第 38 卷 第 4 期 2014 年 4 月 文章编号：1000-3673（2014）04-1087-08
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 77 文献标志码：A
Vol. 38 No. 4 Apr. 2014 学科代码：470·4054
融合零序电流衰减直流分量的矿山电网接地选线
基金项目：上海市科学技术委员会资助(12ZR1451300)；上海市教 育委员会科研创新项目(11CXY12)。
0 引言
单相接地(漏电)故障是煤矿井下电网最为常见 的故障。根据煤矿安全规程规定：井下高压电网必 须将单相接地电流限制为 20 A 以下；地面变电所 和井下中央变电所的高压馈电线上，以及采区变电 所中供移动变电站的高压馈电线上，均须装设有选 择性的单相接地保护装置。 矿山电网几乎全部由电缆线路组成，运行中易 受各种外力的砸碰挤压，单相接地故障的过渡电阻 变化范围较大； 且井下环境湿度高(一般大于 90%)， 电缆线路绝缘电阻较低，零序电流中有功分量较 大；同时井下空气中含有瓦斯和煤尘爆炸性混合 物，所以矿山电网对于切除单相接地故障线路的准 确度和速度均有很高的要求。随着井下供电规模的 日趋增大，越来越多的矿山高压电网装设了消弧线 圈来限制单相接地电流。消弧线圈的引入，使得传 统的基于零序电流方向与大小或零序功率的选线 方法失效。 五次谐波分量[1]和零序电流有功分量[2-3] 接地保护原理解决了中性点经消弧线圈接地的煤 矿高压电网的接地选线问题。但其利用的信号分量 幅值较小，测量精度受零序电流互感器性能影响较 大等因素限制了基于这些原理的选线装置的准确 度[4-5]。文献[6]提出将这两类原理融合的判据，与 文献[1-3]的选线判据相比，该判据拉大了故障线路 与非故障线路之间判据值的差距，提高了选线保护 裕度以及准确度。但高次谐波分量选线判据受系统 谐波源的大小、 相位以及故障位置不同影响较大[7]， 此外高次谐波分量的幅值一般小于基波的 10%，将 其与零序电流有功分量融合，故障线路与非故障线 路之间判据值差距的扩大是比较有限的。 由于接地故障点过渡电阻一般较小，零序电流 中可能存在幅值较大且存在时间较长(受过渡电阻、
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频周期，该分量的存在对全周傅里叶变换的结果的 精度影响很大
[13]
， 直接影响了基于零序有功分量的
选线方法的准确度；若依靠延时换取计算精度则会 显著地降低故障线路的切除速度，对于井下供电的 安全性极为不利。 由于消弧线圈在故障前流入电流为零，即
1 其中：D， ( 0 )和 分别为衰减交 流分量的幅值，频率与相位；E 和 分别为余弦分
庄伟，牟龙华
（同济大学 电子与信息工程学院，上海市 嘉定区 201804）
Fault Line Selection of Coalmine Distribution Network Considering Decaying DC Component of Zero-Sequence Current Under Single-Phase Earth Fault