基于阻性电流增量的矿山供电高阻接地故障选线方法

王 金

（五矿矿业（安徽）工程设计有限公司，安徽 合肥 230601）

矿山工作环境十分复杂，所以矿山作业对用电的线路以及安全要求均较高，矿山作业均使用中性点不接地系统以此满足矿山工作的安全规定，由于矿山作业用电需求较大，且电力系统是矿山作业的基础保障，其是否稳定运行及可靠性影响到矿山经济利益与工作人员安全[1]。为了保证电力系统稳定，需要实时关注和分析电力系统中各个线路，确保及时发现其中的故障，挑选出矿山中的故障线路。

目前矿山中的电力系统多使用自然双极接地方式，所以线路在出现单极接地故障时，故障处的电流较小，当正常线路电压变成原始电压的2 倍时才会发现故障，导致出现线路崩溃以及设备损伤，所以准确且快速地选出故障线路是保证电力系统安全运行的基础。现有方法通常分析矿山电力中发生故障前后电路的相电流特征，根据结果选取离散度进行计算，依据可能出现的容错性以及一致性融合所有选线流程，通过最大离散度差实现矿山供电高阻接地故障选线。或是根据小波原理计算出接地故障中的剩余电流并对其分析，同时对线路进行识别，其次实时监测电流，最终通过小波包分解完成故障选线，得出与正常线路之间的差异，实现矿山供电高阻接地故障选线。

目前方法由于没有利用暂态过程，导致故障选线过程中容易忽略掉平稳状态下的故障路线，因此提出基于阻性电流增量的矿山供电高阻接地故障选线方法。

矿山供电系统在发生线路故障时，受到线路参数以及故障初相交等影响，可能会忽略部分不明显的故障信号，利用阻性电流增量将原始接地系统的运行模式改变，使得电力系统中的零序电流以及零序阻性电流发生较大改变，以此生成故障线路的判断依据，加强故障选线能力。

矿山供电过程中一旦发生单相接地故障后[2]，变电站会立即将小电流接地系统的运行模型进行变化，经过变化后电力信号源在投入过程中零序网络会发生改变，假设零序电流的变化量计算公式为：

零序电流变化量的依据表达式为：

式中：α 和β 均为整定值。

针对故障点之前的测量点，加入电阻后会导致故障线路的零序电流增大，即：

针对故障点之后的测量点，添加电阻后会降低零序电压，即：

已知接地故障线路中的零序阻性电流会呈直线上升，将该原理使用在零序阻性电流判断依据中，进而得出零序阻性电流大小的求解表达式为：

式中：I 为线路电流；Ra为编号为a 的电阻；χa为零序电压和电流之间的相位差值。

零序阻性过流的判断依据为：

式中：IZ为整定电流。

为了保证故障选线精度，除上述依据外，并添加零序电压作为选线的辅助依据，依据的表达式为：

式中：U0为样本点的零序电压值；Lf 为整定值。

根据以上计算即可提前判断出单相接地的故障路线，进而缩小故障选线范围，也加强故障选线精度。

上述分析仅仅将大量正常线路排除，且是在正常电阻的情况下进行排除的，但针对矿山作业的特殊性，需要在其中添加高阻接地的方式进行故障选线。

电阻接地方式可直接限制接地电流的水平，最大程度降低故障点附近的电位升高量，以此确保施工人员的人身安全，有效抑制接地电压大小，除此之外，配电网在出现单相接地故障时，工作人员不必立即切除故障点，而是允许其继续运行两小时，方便准确查找故障点对其实施相应措施，加强电力系统的可靠性。

为了进一步提高故障选线精度，可针对高阻的阻值选择入手，高阻接地是完全根据电阻对电网的内部电压进行抑制，所以电阻的选取需要符合以下三点：抑制弧光接地过电压；限制断线谐振过电压；排除电磁式电压互感器的饱和过电压。

根据零序电流等相关策略的设定以及高阻的选择对矿山供电的故障进行选线。

首先通过Prony 算法[3]分析出矿山供电网的各个线路的信号，计算出线路补偿前后的原始相位变化量，对比每个电力的变化量结果，进而得出故障线路。假设矿山供电的实时母线零序电压为u0（t），若电压u0（t）的幅值大于电压阈值uset，即可开始进行故障选线，所以开启故障选线的标志为：

式中：t 为线路接地时刻。

当矿山供电系统是M 回线系统，其中的电力系统母线故障电流计算公式为：

式中：i0i（t）为第i 条电力线路首端的零序电流；i0K（t）为消弧线圈的补偿电流；i0i（t）为供电系统的母线故障电流。

通过滤波器提取出每个电力线路以及母线的电流信号的工频分量，开始的标志就是故障选线设备开始选线的时刻，通过Prony 算法获取系统中每个工频的电流信号在各个电波中的特征参数，得到故障线路前后两周波的相位之差后，将其与标准值进行规避，相位差小于标准值，即可判定电力系统的状态为稳定状态，此时可暂停电流信号的提取。

为了确保信号精度，可提前筛选出拟合偏差较大的电力数据，实质上出现故障的路线，在暂态情况[4]下电路电流的幅值不会下降，所以此时不会出现故障线路被视为正常线路排除的情况，进而总结出幅值即使很小也不会影响故障选线精度。

当处在电阻接地暂态状态时，正常线路的零序电流基本相同，且与故障线路存在明显的差别，特别是针对高阻接地的暂态状态电路，其正常线路的相位也会出现较大变化，此时的故障选线较为困难，即线路前后补偿相位变化量计算难度较大，为此计算出电力线路 和其余线路的之间的相位差，其表达式为：

式中：vq为正常线路与异常线路之间的相位变化量差；O 为相位差平均值的计算因子；Δλq为线路q 补偿前的工频电流相位变化量；Δλj为线路j 补偿前的工频电流相位变化量。

令相位变化量差最小值为vmin，得出故障选线的特征值计算公式为：

根据式（9）即可计算出特征最大值，即vmax，vmax即为所要求解的矿山供电接地故障线路。

为了验证基于阻性电流增量的矿山供电高阻接地故障选线方法的整体有效性，利用华北电网张家口供电公司旗下电网进行仿真实验。

通常情况下故障选线是对比线路中的电流幅值，但经长时间使用后发现，这种选线仅仅能使用在小范围故障选线中，不能适用于大范围的故障选线，且这种判断是否有故障的方法仅仅可在故障发生的过程中，即当故障趋于平稳后，通过电流幅值已不能得出故障线路，所以为验证本文方法的有效性和实用性，选取电网故障平稳状态下，利用不同频带中能量的变化选取出故障线路，在线路发生故障时，能量的变化更能识别出故障线路，利用本文方法、配电网接地故障选线方法[5]以及电流接地故障选线方法[6]进行选线，实验结果如图1 所示。

根据实验结果可知，本文方法的所得出的故障线路能量分布和正常线路能量分布之间的差异非常大，可以清楚的区别出线路中的故障线路，且不受故障状态的影响，其余两种方法虽与正常电路有所差别，但差别较小，不能轻易的识别出故障路线。

因为本文方法具有暂态过程，而电力线路处于暂态过程时，故障线路中带有高频分量，且分量的能量在故障线路和正常线路中，分布的幅值会比电流的幅值大得多，及当出现故障时，正常电路的核异常电路之间的波动较大，可有效对比出故障线路，进而加强本文方法的选线效果。

由于矿山施工环境恶劣，经常出现电力故障，且多为配电网中的单相接地，配电网故障线路必须及时切除，否则可能出现相间短路或导致电力设备损害等，所以针对矿山供电对接地故障线路的选取尤为重要，选取故障线路的准确性直接影响到电力系统的稳定运行以及设备安全，因此提出基于阻性电流增量的矿山供电高阻接地故障选线方法，该方法首先分析阻性电流的原理得出选线策略，其次针对选线方法选取高阻的阻值，最终通过零序电流以及暂态过程得出故障线路，实现矿山供电高阻接地故障选线，加强故障选线的准确性，保证电力系统的稳定运行，提高了矿山供电配电网的可开行，且可保证故障发生后断站时间内设备可以正常运行同时不损毁电力设备，本文方法虽可准确切除故障线路，但整体用时不太理想，针对该问题，下一阶段故障选取索要提高的就是整体效率。