郭慧文，李陇奇，宋文晋，张鹏斌，穆建华，郭 琴

(1.晋能控股煤业集团电业大同有限公司，山西 大同 037003；)2.西安西瑞控制技术股份有限公司，陕西 西安 710018)

0 引言

近些年，随着我国煤矿规模的发展，矿区电网扩充扩容，电缆线路的大量投运，网架分支越来越多且复杂多变。然而井下空间相对狭小、潮湿，整体环境恶劣。供电电缆在铺设过程中极易遭受砸压，过度弯曲造成外皮破损，严重破坏电缆绝缘性能。此外，供电线路长期运行在阴暗潮湿、煤尘，瓦斯等恶劣环境下，甚至长期浸泡在水中，导致线缆寿命严重下降。大大增加了接地故障发生的风险。接地故障后，如果得不到及时处理，短时间内就会引发相间故障，产生火花，在瓦斯和煤尘的助燃下，极易造成爆炸事故,直接烧毁线路和设备，引发井下断电，工作设备停运，甚至造成严重的人身伤害，对企业造成重大的经济损失。因此，为了保障煤矿工作人员与电气设备的安全、企业的正常运行，在煤矿电网配备小电流接地选线装置，在接地发生初期就准确定位故障，切除故障线路，防止事故扩大蔓延，具有十分重要的意义。

近些年来，随着选线理论和微机技术的不断发展，选线装置的原理基本上经历了稳态法和暂态法两个阶段。稳态法通过比较所有出线零序电流工频向量模值，选择最大的3条再通过工频相位比较定位故障线路，但在发生高阻接地故障时，故障线路的容性电流很小，且受消弧线圈补偿的影响，其原理本身存在缺陷；暂态法通过捕捉故障发生时刻的暂态零序电压、零序电流特性进行故障识别，但现场的实际应用中，特别是发生高阻接地故障时，暂态电流信号微弱，主要以稳态电流为主，此时该原理也很难准确识别故障线路。

针对上述传统稳态和暂态选线算法的不足，该文提出了一种基于阻性电流变化量的中电阻选线算法，即在系统中性点并联一个大功率电阻，当系统发生接地故障瞬间，将中电阻短时投入，从而有效降低故障线路系统阻抗，增大故障线路零序电流阻性分量。通过对比中电阻投入前后零序电流阻性分量的变化量来准确甄别故障线路。该算法故障特征明显，不受消弧线圈影响，不依赖暂态数据窗信息，能够克服高阻接地时，暂态算法信号微弱，暂态数据窗捕捉困难，选线错误的问题。可以有效提高接地选线的准确率。

1 基于阻性电流变化量的中电阻选线原理

1.1 中电阻选线原理

对于中性点非直接接地系统，典型的经消弧线圈接地方式，在中性点处并联中电阻Rz，并经过开关K接地，具体如图1所示。

图1 中性点经消弧线圈接地系统图

初始状态下，中阻开关K打开，当系统发生单相接地时，流过健全线路L1和故障线路L2的零序电流分别为：

(1)

(2)

健全线路和故障线路对应的阻性电流分别为：

(3)

(4)

当中电阻投入后，流过健全线路L1和故障线路L2的零序电流分别为:

(5)

(6)

则流过健全线路和故障线路的阻性电流分别为:

(7)

(8)

1.2 仿真分析与结果

该文根据煤矿电网的特点(井下电网多采用单侧电源辐射状干线式网络，分支较多，电缆长度较短，以0.3～3 km居多)，搭建MATLAB仿真模型，并对该文提出的阻性电流的中电阻法选线算法的准确性进行了验证。模拟10 kV经消弧线圈接地方式，母线挂接3条输电线路，从上至下依次以Π型等效电路，设置线路长度分别为线路1∶0.8 km，线路2∶1.0 km，线路3∶3.0 km，中电阻R=134 Ω。仿真模型如下图2所示。模拟第3条线路A相高阻接地，分别测量健全支路(线路2)和故障支路(线路3)的零序电流，并进行阻性电流分离，来对比故障支路和健全支路的特性，以验证算法的选线准确性。

图2 MATLAB仿真模型

图3和图4分别为单相接地故障后中阻投入前后健全支路(线路2)和故障支路(线路3)的零序电流阻性分量波形，其中在0.1 s时刻模拟故障支路(线路3)A相接地，0.3 s时刻投入中电阻。

图3 健全支路投入中阻前后零序电流阻性分量

图4 故障支路投入中阻前后零序电流阻性分量

通过以上接地瞬时中阻投入前后零序电流阻性分量的波形对比，可以看出，故障线路(线路3)的阻性电流在发生故障后在反方向增大了160 A左右，故障特征明显，而健全线路(线路2)的阻性分量则基本保持不变，进一步验证了此算法的准确性。

2 煤矿应用效果

基于上述阻性电流变化量的中电阻选线算法开发的小电流选线装置，在晋能集团进行了试点应用，取得了良好的试验效果。以夏家河变电站10 kV段为例，2020年8月13日16∶02∶16井下一采区1#线路发生单相接地故障，装置正确选线并切除了故障线路。通过提取现场的故障录波文件，并对波形中的故障线路和健全线路的数据作了进一步分析。

图5为故障时投入中阻前后故障线路(1#线路电流3I0)和健全线路(2#线路电流3I0)的波形对比，并从故障波形中分离故障线路和健全线路的阻性电流分量3I01_R和3I02_R。

如图5所示，在投入中阻前如图t1时刻，两条支路的零序电流阻性分量并无太大差别：分别为-0.206 A和-0.2 A。当支路1发生单相接地故障，中电阻投入后，故障线路的零序电流阻性分量明显增大，而健全支路则基本保持不变，两条支路显示出了较大差异，如图t2时刻所示：1#线路零序电流电阻分量达到-1.196 A，2#线路零序电流电阻分量为-0.083 A。

|Δ3I01_R|=0.990 A

|Δ3I02_R|=0.117 A

由于|Δ3I01_R|≫|Δ3I02_R|，选线装置正是利用此特征量正确动作切除了故障支路。

图5 投入中阻前的故障录波

3 结论

在我国煤矿供电系统中，发生单相接地故障时，基于稳态和暂态原理的选线装置本身存在缺陷，不能准确定位高阻接地故障。该文提出的中电阻选线算法，通过对比中电阻投入前后零序电流阻性分量的变化量来准确甄别故障线路。该算法故障特征明显，不受消弧线圈影响，不依赖暂态数据窗信息，能够克服高阻接地时，暂态算法信号微弱，暂态数据窗捕捉困难，选线错误的问题。可以有效提高接地选线的准确率。利用该算法开发的装置已在晋能煤矿变电站进行了试点应用，并取得了良好的效果，进一步验证了此选线算法在煤矿供电系统应用的可靠性。