矿井中性电不接地系统电弧接地故障的仿真研究.pdf

第38卷第5期 煤 炭 科 学 技 术 Vol138 No15 2010年5月Coal Science and TechnologyMay 2010 矿井中性点不接地系统电弧接地故障的仿真研究 伍小杰,邢文涛,刘向超,孙建元,葛 娟 中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 徐州 221008 摘 要漏电保护是保证煤矿井下安全供电、防止人身触电的重要措施。通过分析煤矿井下漏电保 护的现状,针对井下漏电保护装置对电弧接地故障检测灵敏度不高的不足,从工频熄弧理论计算和 EMTP - RV仿真2个方面,对中性点不接地系统电弧接地故障时零序电压及故障支路、非故障支路 零序电流变化规律进行分析研究,总结了煤矿井下供电系统电弧接地故障的暂态特性,为煤矿井下 高产高效综采工作面供电系统漏电保护装置的设计提供理论依据。 关键词电弧接地;漏电保护;EMTP - RV;暂态特性 中图分类号TD611 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2010 05 - 0092 - 05 Si mulation Research on Electric Arc Grounding Fault of Non - Grounding System ine Neutral Point WU Xiao2jie , XINGWen2tao , L IU Xiang2chao , SUN Jian2yuan , GE Juan School of Infor mation and Electric Engineering, China University of M ining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract The electric leakage protection is the i mportantmeasure to ensure the safety power supply of the underground mine and to pre2 vent the electric shock of themine personnel . W ith the analysis on the present status of the undergroundmine electric leakage protection, according to the shortage of the underground mine electric leakage protection device less sensitive to the electric arc grounding fault detec2 tion, from the main frequency arc extinguishing theory calculation and the EMTP - RV si mulation, a analysis and studywas conducted on the zero voltage and the zero sequence current variation law of the fault branching - off aswell as non fault branching - offwhen the elec2 tric arc groundingwas failure in the non - grounding system of the neutral point .The paper summarized the transient state features of the electric arc grounding fault in the mine underground power supply system, which could provide the theoretical basis to the design of the e2 lectric leakage protection device for the power supply system of the high production and high efficient fullymechanized coalmining face in underground mine. Key words electric arc grounding; electric leakage protection; EMTP - RV; transient state features 基金项目“ 十一五 ”国家科技支撑计划重大资助项目3C090477 煤矿井下漏电保护的研究在我国已有数十年发 展历史,并取得了一系列成果,研制了很多性能良 好的漏电保护装置。然而,井下中性点不接地网络 发生单相接地故障多为间歇性电弧接地故障,现有 的漏电保护装置不能很好地对此故障进行检测,目 前煤矿井下的漏电保护装置实际运行状况并不是十 分理想。由于发生电弧接地故障时,单相接地故障 电流波形将发生畸变,除基波分量外,还包含高次 谐波成分,因此,即使在接地电流较小的电网,其 电弧自熄的可能性也将大幅减小 [1 ]。因此 ,理论 分析和仿真研究煤矿井下中性点不接地系统单相接 地故障尤其是电弧接地故障时故障电压、电流的变 化特点和情况,对相应漏电保护策略的制定和优 化,以及高性能的漏电保护装置的研制将起到重要 的理论指导作用。 1 中性点不接地系统的电弧接地故障理论 分析 煤矿井下综采工作面供电网络较小,电缆长度 较短,为了分析方便,电缆对地绝缘参数用集中参 数代替分布参数。这种做法的依据是当进入大地 后,所有的分布参数便按相并联起来,在忽略很小 的大地和线路本身的阻抗后,便形成各相集中性参 数 [2 ]。对于煤矿 313 kV供电电缆,其对地绝缘电 阻和对地容抗相差不大,但是由于电弧接地故障中 主要考虑对地电容的作用因素,因此在分析中可将 29 伍小杰等矿井中性点不接地系统电弧接地故障的仿真研究2010年第5期 绝缘电阻忽略。系统电弧接地如图1所示。 图1 系统电弧接地示意 图1中R为变压器线圈电阻和线路电阻的和; L为变压器漏感与电缆线路电感之和;CA,CB, CC为各相对地总电容;CAB,CBC,CAC为相间电 容;U0为中性点电压。在正常运行状态时,电缆 各相绝缘参数较为对称,可设CACBCCC0 支路对地电容 , CABCBCCACCm相间电 容。空载系统发生单相接地时系统的过电压最为 严重,而且出线首端单相接地时接地故障电流比线 路其他位置发生接地时的故障电流大 [3 ]。考虑最 严重的情况,系统不带负载,电弧接地点选择在出 线首端。假设A相发生电弧接地故障,其接地后 相当于CAB与CB,CAC与CC并联 [4 ] ,故障后的等效 电路如图2所示,开关闭合为电弧接地故障发生, 断开为燃弧结束,Rdh为电弧接地过渡电阻。 图2 电弧接地故障等效电路 设电源相电压为 uA t Uφmsinωt φ uB t Uφmsinωt φ-2π/3 uC t Uφmsinωt φ2π/3 1 其中,Uφm为相电压幅值,φ为相电压初始相 位角,ω为角速度,t为时间。假设A相接地,接 地后u tuA′ t -uA t -Uφmsinωt φ , uA′ t为接地时A相对地电压。由图2 写出拉氏变换方程并进行拉式反变换得接地时B 和C相对地电压uB′ t和uC′ t。 uB′ t uC′ t Uφm ω 2 0 M1 [M2exp - α t sinω0′t θ1 - sinωt θ2 ] 2 其中,ω01/ [3L C 0Cm ]; 系统阻尼系数 α R dh 115 R /3L ;ω0′ω 2 0-α 2; θ 1 arctan ω0′[ω 2 0-ω 2 sinφ- 2α ωcosφ] ωω 2 0- 2α 2 -ω 2 cosφαω 2 0ω 2 sinφ ; θ 2 arctan ω 2 0-ω 2 sinφ- 2α ωcosφ ω 2 0-ω 2 cosφ2α ωsinφ ; M1[ω0 - 2ω 2 ω 2 0-α 2 ω 4 ] 1/2; M 2 {Asin 2 φBcos 2 φCsin 2φ/ [ω0′ 2M 1 2 ]} 1/2 , Aω0 6 - 2ω 2ω4 0 4α 2ω2ω2 0ω 2 0ω 4; B ω 6 - 2ω 4ω2 0ω 2ω4 0- 4α 4ω2 ,C α ω 2 0ω 3 -α ω 4 0- 4α 3ω3 - 2α ω 5。 从而可得零序电压u0 t和接地电流ijd分别为 u0 t Uφm[ 2ω 2 0M2 3M1 exp - α t sinω0′t θ 1 - 2ω 2 0 3M1 sinωt θ2 - 1 3 sinωt φ ] 3 ijd3C0 du0 dt Icm[ 2ω 3 0M2 3ωM1 exp - α t sinω0′t θ1-γ - 2ω 2 0 3M1 cosωt θ2 - 1 3 cosωt φ ] 4 其中,Icm为系统稳态接地电容电流幅值, Icm3UφmωC0;γ arctanω0′/α。 取母线流向线路作为零序电流的正方向,则非 故障线路零序电流i0f为 i0f -3Cfdu0 / d t - Ifm[ 2ω 3 0M2 3ωM1 exp - α t sinω0′t θ1-γ - 2ω 2 0 3M1 cosωt θ2 - 1 3 cosωt φ ] 5 其中,Cf为非故障线路单相对地电容;Ifm为非 故障线路稳态接地电容电流幅值,Ifm3UφmωCf。 故障线路零序电流i0g为 i0g3 C z - Cg du0 dt Igm[ 2ω0 3M 2 3ωM1 exp - α t sinω0′t θ 1 -γ - 2ω 2 0 3M1 cosωt θ2 - 1 3 cosωt φ6 其中,Cz为系统总的单相对地电容;Cg为系 统故障线路单相对地电容;Igm为故障线路稳态接 地电容电流幅值,Igm3Uφmω C z-Cg。 以上公式的推导是在不考虑电网对地绝缘电 39 2010年第5期 煤 炭 科 学 技 术 第38卷 阻,即不考虑电网泄露情况下,对第1次燃弧状况 下的各个分量变化情况的分析。由于313 kV电网 为中性点不接地方式,第1次熄弧后,各电容上的 初始电荷必然会保留在整个供电系统中,并会有一 个很快的电荷重新分配过程,使中性点对地产生一 个直流偏移电压,其大小约为相电压的峰值,该直 流电压与电源电压叠加造成第2次燃弧前各相电压 的初始值发生变化,使第2次燃弧瞬间电网接地相 电压的幅值为第1次燃弧瞬间的2倍。若采用相同 的方法对第2次燃弧情况进行分析,接地电流和零 序电流的幅值也将是第1次燃弧状况下的2倍。 2 EMTP - RV仿真分析 211 仿真模型的建立与理论计算 采用图形化电磁暂态仿真软件EMTP - RV建 立电弧接地故障仿真模型如图3所示。 图3 313 kV供电系统电弧接地故障仿真模型 供电电缆采用MYPTJ - 316 /6型矿用移动屏蔽 监视型橡套软电缆,电缆参数如下 动力线芯芯数3 标称截面/mm2120 电缆标称外径/mm7410 20℃ 时每千米电缆绝缘电阻/MΩ≥350 20℃ 时每千米电缆导体最大直流电阻/Ω01164 20℃ 时每千米绝缘线芯电容/μF0146 25℃ 时额定载流量/A295 为了与实际313 kV供电电网接近,取电缆长 度为350 m,各支路对地电容C001161μF,在矿 井电网中,相间电容略大于对地电容 [5 ]。为了方 便分析,取相间电容CmC0 01161μF。三相交 流电源电压为10 kV,移动变电站变比为10 /3145, 原副边绕组电阻为015Ω,电感为1 mH。采用放 射式三相三支路供电方式, 3个支路电缆长度相 等,电弧接地过渡电阻Rdh取0。将上述参数代入 式3 式6得 u0 t01667Uφm[exp - 250 t sin32 170t 89111 - cos100πt ]7 ijd681336Icm[exp - 250 t sin32 170t - sin100πt ]8 支路1和支路2的零序电流为 i01 i02 -22178Icm[exp - 250 t sin32 170t - sin100πt ]9 支路3的零序电流为 i0345156Icm[exp - 250 t sin32 170t - sin100πt ]10 式 7 式 10 中,Uφm 21817 kV, Icm0143 A。 图4 零序电压和接地故障电流t21005 s 212 仿真结果及分析 使用电磁暂态仿真软件EMTP - RV,依据工频 熄弧理论得出燃弧、熄弧、重燃2次的仿真波形。 根据工频熄弧理论,设定电网在A相电压最大值 时t21005 s发生电弧接地故障,零序电压和 接地电流仿真波形如图4所示。通过观察可知,在 不考虑电缆对地绝缘电阻的情况下,每一次燃弧结 束后中性点电压均为直流电压,其大小为相电压的 1105倍。可以看出,接地电流的暂态分量在电弧 接地瞬间有一个急剧的尖峰,其原因为电弧接地发 49 伍小杰等矿井中性点不接地系统电弧接地故障的仿真研究2010年第5期 生的瞬间A相对地电容两端的电压不能突变降为 0,接地故障点对地电压仍保持为相电压的幅值, 相当于将相电压幅值直接加在电缆芯线与地之间, 从而形成了很大的冲击型接地电流,对电缆的绝缘 造成严重损害,这也是造成故障扩大的关键因素。 电弧接地故障并不一定发生在故障相电压为最 大值的时刻,只要弧隙间电压或恢复电压超过电缆 介质的强度或者恢复强度,就可以发弧或重燃 [4 ]。 在故障相电压过零点附近时t 21002 s发生电 弧接地故障的零序电压和接地故障电流仿真波形如 图5所示。 图5 零序电压和接地故障电流t21002 s 由图4和图5比较可知,电弧接地故障发生在 过零点附近时,零序电压和接地故障电流的幅值较 发生在相电压峰值时大幅降低,从而可以知道电弧 接地时刻直接影响接地电流的大小,其带来的是故 障支路和非故障支路暂态零序电流的大小随之大幅 降低,暂态分量和稳态分量的区别不是十分明显, 随之带来的还有相应的故障线路与非故障线路的零 序电流幅值降低。 由图6和图7可知,和接地故障电流相同,从 第2次燃弧开始,故障支路3和非故障支路1零序 电流值都为第1次燃弧时的2倍,其暂态分量幅值 远大于稳态幅值,二者相位相反,且故障支路零序 电流的大小为非故障支路零序电流之和。 3 系统暂态特性分析 通过对比理论计算结果和仿真波形验证了本文 图6 支路1和支路3的零序电流 图7 对应图6的部分展开波形 对电弧接地故障的理论分析和建模的正确性,从而 可得出中性点不接地电网发生电弧接地故障后具有 以下暂态特征。 1 在不考虑对地绝缘电阻的情况下,当一次 燃弧结束后,变压器中性点将出现一个直流电位, 一直保持到下一次燃弧为止,该电位是造成系统过 电压以及接地电弧电流增大1倍的主要原因,对供 电系统的安全运行造成极大危害,其大小约等于相 电压的幅值。 2 暂态分量的振荡衰减时间与系统参数R和 L有关,R越小或者L越大,则暂态分量振荡衰减 越慢,其带来的暂态过程就越长;电网对地电容、 59 2010年第5期 煤 炭 科 学 技 术 第38卷 相间电容、变压器和线路电感越大时暂态分量的频 率越低。 3 一般情况下,ανω0,ω0 ≈ω 0′ ,且ω0 ω , 从接地故障电流、故障线路和非故障线路零序电流 的表达式都可以看出,各分量的暂态部分幅值远大 于稳态工频部分的幅值,可达数倍甚至几十倍;接 地电弧电流和零序电压的相位差仍接近为90,因 此首半波保护原理在电弧接地故障中仍然适用 [2 ]。 4 非故障支路暂态零序电流的大小与本支路 对地电容的大小成正比,故障支路暂态零序电流为 非故障支路零序电流之和,其幅值远大于非故障支 路暂态零序电流的幅值,二者极性相反。 5 暂态分量的幅值主要由单相接地故障发生 时刻决定,还与频率、变压器和线路的参数有关, 电弧接地是由于电缆介质承受不了2端电压击穿所 致,一般发生在相电压接近于最大值的时刻,此时 暂态分量的幅值最大,稳态工频电流远小于暂态电 流,从而可知仅依靠基于稳态分析的选线方法是不 能够对电弧接地故障进行准确选线的。 6 暂态零序电流与稳态零序电流的幅值均与 故障点的接地过渡电阻有关,过渡电阻越小,电流 幅值越大,则暂态分量衰减就越慢。一般情况下, 电弧接地故障电阻在10Ω以下,所以对电弧接地 故障来讲,接地电阻对故障选线影响不大。 4 结 语 对中性点不接地系统电弧接地故障进行理论分 析,并利用电磁暂态仿真程序EMTP - RV构造电 弧接地模型进行软件仿真,仿真结果和理论计算结 果相符合。总结了中性点系统在电弧接地故障状况 下各个分量的暂态特征。考虑到煤矿井下实际电网 各方面因素的影响以及电弧接地情况的复杂性,实 际结果可能和理论分析及仿真结果有所差异,但是 对结论的正确性和实用性影响不大,可以作为中性 点不接地系统故障选线的理论基础。 参考文献 [1] Etwell E A1Perfor mance Testing of the Norton High I mpedance Ground Fault Detector on a Distribution Feeder [ C ]/ / Rural Electric Power Conference1New York IEEE , 1990. [2] 邹有明,张根现,刘士栋 1工矿企业漏电保护技术[M ].北 京煤炭工业出版社, 2004. [3] 高亚栋,杜 斌,赵 峰,等 1中性点经小电阻接地配电 网中弧光接地过电压的研究[ J ].高压电器,2004,40 5 345 - 348. [4] 胡天禄 1矿井电网的漏电保护[M ].北京煤炭工业出版 社, 1987. [5] 牟龙华 1接地保护与故障点定位[M ].徐州中国矿业大 学出版社, 2000 10. [6] 李 林,冯 勇,郑剑飞 1中性点采用两种接地方式的配 电网单相接地故障的比较[J ].高压电器, 2008, 44 3 239 - 242. [7] Tammy Gammon, John Matthews .Instantaneous Arcing - Fault Models Developed for Building System Analysis [ J ].IEEE Transactions onIndustryApplications,2001,37 1 197 - 203. [8] W iktor Charytoniuk, Lee Wei - jen,Chen Mo - shing,et al1 Arcing Fault Detection in Underground Distribution Networks - Feasibility Study [J ].IEEE Transactions on Industry Applica2 tions, 2000, 36 6 1756 - 1761. [9] WU Hua - ren, L IXiao - hui, Stade D,et al1Arc FaultModel forLow - VoltageAC Systems [J ].IEEE Transactionson Power Delivery, 2005, 20 2 1204 - 1205. 作者简介伍小杰1966 - ,男,湖南衡阳人,教授,博 士生导师,博士,研究方向为煤矿电力系统综合保护理论研究 及工程设计。联系人邢文涛,Tel13952199302,E - mail xingwentao19831631com 收稿日期 2010 - 02 - 09;责任编辑赵 瑞 上接第72页 Halepensis Pine Needles [J ]. Fire Safety Journal, 2000 37 481 - 494. [5] 张 巍 1超微磷酸铵盐干粉灭火剂的制备[J ].消防科学 与技术, 2001 4 39 - 40. [6] 朱凤山 1关于阻化剂防火效果定量指标的讨论[ J ].煤炭 工程师, 1995 3 26 - 27. [7] 陆 伟 1煤自燃阻化剂性能评价的程序升温氧化法研究 [J ].矿业安全与环保, 2005, 32 6 12 - 14. [8] 李士戎 1二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的试验研究[D ]. 西安西安科技大学, 2007. [9] 康希武 1浅谈阻化剂防灭火技术在灵武矿区的应用[ J ]. 煤炭科技, 2002, 12 4 8 - 10. 作者简介郑兰芳1977 - ,女,河北廊坊人,讲师,硕士 研究生,主要从事煤自燃火灾防治及消防安全方面的研究工作。 Tel 13513162282, E - mailecho_96_20001261com 收稿日期 2009 - 12 - 20;责任编辑代艳玲 69