CN105572544B - 基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法，该方法包括四个阶段的判断计算：一，电流一阶导数计算；二，电流一阶导数过零点判断；三，电流一阶导数判断；四，电流二阶导数计算及判断；首先不间断计算煤矿电网线路电流变化率情况；然后判断一阶导数是否过零点，过零则进入第四阶段，启动电流二阶导数计算；否则进入第三阶段，与前一个电流变化率计算结果相比较，如果电流变化一阶导数超出设定的变化范围，则判定发生短路故障，如果未超过设定范围，进行第一阶段继续进行一阶导数计算；电流二阶导数计算，与前一个电流变化二阶导数相比较，如果超出设定范围，则判定为短路故障，并进行相应操作，反之返回第一阶段。本发明提供了一种能在短路发生瞬间快速准确发现故障的基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法。

Description

基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法

技术领域

本发明涉及煤矿电网领域，尤其涉及煤矿的继电保护装置及煤矿电网短路故障判断领域，特别涉及一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法。

背景技术

随着现代煤矿井下设备容量的不断增大，煤矿电网故障时短路电流值也不断上升，井下电网中部分支路的短路电流已逼近甚至超过井下开关的遮断容量，这在很大程度上限制了井下电网的运行。强大的短路电流产生的热冲击和电动力破坏性很大，因此尽早发现短路故障并且在短路电流还未达到最大值时就将故障点切除，不仅可以避免线路上各设备及控制开关本身长时间承受巨大的热冲击及电动力，而且还可以防止因短路故障点产生的电火花引爆瓦斯或煤尘等易燃易爆气体，对于煤矿井下电力系统安全、稳定的运行有着重大的意义。因此，对煤矿供电系统中短路故障检测判断的要求是准确、快速地判断短路的发生。

根据有关实验和文献，如果电气设备的故障分断时间小于煤矿井下电网形成外露电火的故障形成时间，就可以保证在形成电火花之前有效的将供电电源切断，从而保证不会因电火花引起瓦斯或煤尘爆炸。文献指出，煤矿井下供电系统各个环节的故障形成时间分别为：隔爆外壳10ms；橡套线缆5ms。也就是说，当我们在故障形成时间之前就有效的限制短路电流水平，将短路电流幅值限制在安全范围之内，这样可以保证故障点电火花产生的能量不会引燃瓦斯等气体，极大地提高了煤矿电网运行的安全性。

目前应用于煤矿电网的短路检测判断技术主要有3种方法：(1)基于短路电流瞬时值大小的判断方法。(2)基于相敏原理的短路检测方法。(3)基于载频原理的短路检测技术。研究表明，以线路电流的有效值或是最大值作为检测量的取样方式比较可靠，但是采样时间长，至少需要10ms以上；反映线路电流瞬时值的检测方式，取样时间较短，在10ms以内，但是可靠性差。基于电流瞬时值故障判断方法是预先设定短路电流判断设定值，当线路电流的瞬时值达到预先设定值时，即判断为短路故障，发出动作指令。因此，这种方法必须考虑线路在正常工作时可能出现的电流最大值，使短路判断设定值高于此最大电流值，否则就可能会出现误判误动，且故障判断时间过长，不能满足快速故障判断的要求。同时检测线路电流和阻抗角的相敏短路保护必须在短路电流的稳态下进行，取样时间也较长。基于载频原理的短路检测技术多用于井下煤电钻综保中，检测的电压、电流值较小，应用范围有限。相敏短路保护以电流和相位角两个参数为监测量，提高了故障判断的准确性，尤其在短路电流较小而功率因数较高的情况下，判断更准确。但是，相位角取样的速度受到限制，而且存在一定的“死区”，应用受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种能在短路发生瞬间快速准确发现故障的基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置，该装置包括电流信号采集部分、信号转换处理部分、计算判断部分和人机接口部分；

电流信号采集部分由安装在每条线路上的电流互感器CT组成，负责采集线路上电流情况，CT将线路的大电流变换为小电流；

信号转换处理部分由电流变送器、多路转换开关、采样保持器和模/数转换器组成，该部分轮流采集每条线路上的电流信号，送入CPU进行判断计算；其中，电流变送器对电流信号进一步进行调理，将CT二次侧的电流信号转变为电子线路可以接受的弱电流信号；模/数转换器将模拟量的电流信号转换为数字信号，送入CPU处理；

计算判断部分主要包括CPU，CPU可选用单片机，对输入的数字量电流信号进行相应计算，然后进行判断，给出故障判断信号；

人机接口部分由液晶显示器和数字键盘区组成。

一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，主要作为煤矿电网短路故障判断，在判断过程中该方法主要包括四个阶段的判断计算：第一阶段，电流一阶导数计算；第二阶段，电流一阶导数过零点判断；第三阶段，电流一阶导数判断；第四阶段，电流二阶导数计算及判断；首先进入第一阶段，不间断计算煤矿电网线路电流变化率情况；然后进入第二阶段，判断一阶导数是否过零点，如果电流一阶导数过零，则进入第四阶段，启动电流二阶导数计算；否则，则进入第三阶段，与前一个电流变化率计算结果相比较，如果电流一阶导数超出设定的变化范围，则判定发生短路故障，如果未超过设定范围，进行第一阶段继续进行电流一阶导数计算；第四阶段中，电流二阶导数计算，与前一个计算的电流变化二阶导数相比较，如果超出设定范围，则判定为短路故障，并进行相应操作，否则，返回第一阶段。

基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法的具体步骤为：

步骤1：线路电流瞬时值采集；通过安装在各条线路上的电流互感器，采集各条线路上流过的电流瞬时值信号，进行电流分析计算；

步骤2：进入第一阶段：电流一阶导数计算判断；计算各条线路电流变化率的电流一阶导数值，并进行数据记录；

步骤3：进入第二阶段：电流一阶导数过零点判断；计算得到的电流一阶导数值与上一个采样点的电流一阶导数值相对比，如计算值为零或前后两个计算值符号发生改变，则判定为电流一阶导数过零，则进入步骤5，否则，进入步骤4；

步骤4：进入第三阶段：将计算的电流一阶导数值与记录的前一个电流一阶导数值进行比较计算，计算式如下：

上式中，表示在t＝t₁时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，表示在下一个采样时刻即t＝t₂时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，k₁为系数，其大小可以根据煤矿电网实际供电情况进行设置；

若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入步骤1；

步骤5：进入第四阶段：电流二阶导数计算；对于电流一阶导数过零点线路，计算多个电流二阶导数值，将电流二阶导数值与前一个电流二阶导数值进行比较计算，计算式如下：

表示在t＝t₁时刻，电流对时间二阶导数的绝对值，表示在下一个采样时刻即t＝t₂时刻，电流对时间二阶导数的绝对值，k₂为系数，其大小根据煤矿电网实际供电情况进行设置；

若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入步骤2。

根据煤矿电网网络形式和负荷结构不同，设置不同的电流一阶变化率、二阶变化率判断系数k₁，k₂，以满足煤矿电网供电负荷情况变化要求。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：由于煤矿电网正常、短路故障时电流变化率不同，本发明通过不间断的计算短路前后线路电流的一阶、二阶导数，并与前一次计算的一阶、二阶导数值进行对比，如果二次计算出的短路电流导数超过设定的比例系数，即判断为电路发生了短路故障；由于线路电流的一阶、二阶导数具有变化速度快、变化显著的特点，选用一阶、二阶导数作为监测参数，可以在短路发生瞬间快速准确地发现故障。

附图说明

图1为本发明煤矿电网短路故障快速判断系统结构示意图。

图2为本发明煤矿电网系统等效图。

图3为本发明短路系数N与电流变化率的关系曲线图。

图4为本发明短路系数N与电流二阶导数关系的变化曲线图。

图5为本发明故障判断主程序框图。

图6为本发明短路故障判断子程序框图。

图7为本发明电流一阶导数过零判断子程序原理图。

具体实施方式

实施例一

基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置，该装置包括电流信号采集部分、信号转换处理部分、计算判断部分和人机接口部分，系统结构如图1 所示。

信号采集部分由安装在每条线路上的电流互感器CT组成，负责采集线路上电流情况，CT将线路的大电流变换为小电流。

信号转换处理部分由电流变送器、多路转换开关、采样保持器和模/数(A/D) 转换器组成，该部分轮流采集每条线路上的电流信号，送入CPU进行判断计算。

其中，电流变送器对电流信号进一步进行调理，将CT二次侧的电流信号转变为电子线路可以接受的弱电流信号。

多路转换开关，可以选通不同线路的信号，实现多条线路信号轮流检测。

模/数(A/D)转换器转换需要时间，由采样保持器暂时存储采集到的电流信号，等待上一条线路电流信号A/D转换结束后，将采样保持器里存储的当前电流信号送入A/D进行转换。

模/数(A/D)转换器将模拟量的电流信号转换为数字信号，送入CPU处理。

计算判断部分功能由CPU完成，CPU可以选用单片机，对输入的数字量电流信号进行相应计算，然后进行判断，给出故障判断信号。

人机接口部分由液晶显示器和数字键盘区组成，显示器可以实时显示当前线路电流瞬时值、电流变化率大小、线路故障情况等信息，数字键盘区可以选择需要显示的电路电流、电流变化率等参数，通过键盘区还可以完成设定值的修改。

实施例二

基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，如图2、3、4、5、6、 7所示，主要作为煤矿电网短路故障判断，在判断过程中该方法主要包括四个阶段的判断计算：第一阶段，电流一阶导数计算；第二阶段，电流一阶导数过零点判断；第三阶段，电流一阶导数判断；第四阶段，电流二阶导数计算及判断；首先进入第一阶段，不间断计算煤矿电网线路电流变化率情况；然后进入第二阶段，判断一阶导数是否过零点，如果一阶导数过零，则进入第四阶段，启动电流二阶导数计算；否则，则进入第三阶段，与前一个电流变化率计算结果相比较，如果电流一阶导数超出设定的变化范围，则判定发生短路故障，如果未超过设定范围，进行第一阶段继续进行一阶导数计算；第四阶段中，电流二阶导数计算，与前一个计算的电流二阶导数相比较，如果超出设定范围，则判定为短路故障，并进行相应操作，否则，返回第一阶段。

根据煤矿电网供电方式，绘出煤矿电网等效电路图，将煤矿供电系统等效为图2的形式，求解短路时电流变化规律，列出短路电流变化方程，对方程进行求导计算，从而获得短路时电流变化率。

设系统正常时电路中电流为i₀，发生三相短路后短路电流为i1，它们可以分别表示为

i₀＝Im₀sin(ωt+α-φ₀) (1)

其中，

其中，

1、计算电流变化率

对正常电流i₀及短路电流i1进行求导，可以得到电流的变化率(一阶导数) 为

定义N为短路系数，N＞1。

根据I_m0是否为零，可以分成两种情况。

(1)I_m0＝0

i₀＝Im₀sin(ωt+α-φ₀)＝0 (7)

此时短路之前空载，发生短路后，相当于N→∞短路时的情况，由于电流变化率很大，通过计算电流变化率可以很容易的判断出短路故障，所以将这种情况归于下边(2)中讨论。

(2)当I_m0≠0，N＞1

不同短路系数下电流变化率的变化

这2个电流变化率曲线，除了在电流过零点出重合外，其它位置完全不同，并且N越大，二者差别越大，所以可以用来判断短路故障，电源初相角为0时电流变化率曲线如图3所示。

电源初相角为其它角度时曲线变化情况一样。在电流过零点处，可以用电流的二阶导数来判断。

2.计算电流二阶导数

对式(13)所求的电流变化率再次求导，求出正常时和故障时电流二阶导数。

电流二阶导数曲线如图4所示。电流二阶变化率曲线，除了在电流过零点处重合，其它位置完全不同，并且N越大，差别越大；但是二阶导数过零点和一阶导数过零点不同，所以可以在电流一阶导数过零点，用二阶导数作为辅助来判断短路故障。

3.动作整定值设置

经过CT采样后，由CPU计算出各条线路上电流变化的一阶导数二阶导数并与前一个计算点进行比较

其中，k₁、k₂为系数，k₁≥1.5，k₂≥2，k₁、k₂由煤矿高压电网供电结构决定，根据实际供电形式分析后取合适的值，其值可以通过数字键盘区进行修改设定。

通过CPU不间断采集电流数据，计算出电流一阶及二阶导数，与上次采样计算的导数值进行比较，如后一次计算的电流导数值满足上式，则判定为短路故障发生。

基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，该方法的步骤如下：

步骤1：线路电流瞬时值采集；通过安装在各条线路上的电流互感器，采集各条线路上流过的电流瞬时值信号，进行电流分析计算；

采用交流直接采样的方法，通过在各条线路上安装电流互感器CT，采集到各条出线的电流瞬时值，输入至A/D转化器，将模拟量转化为数字量，然后将数字信号送给主控单元进行计算判断；人机接口部分由数字键盘和液晶显示组成，可以实现电流、电流变化率及电流二阶导数显示，动作整定值修改等功能。

步骤2：进入第一阶段：电流一阶导数计算判断；计算各条线路电流变化率的一阶导数值，并进行数据记录；

步骤3：进入第二阶段：电流一阶导数过零点判断；计算得到的电流一阶导数值与上一个采样点的电流一阶导数值相对比，如计算值为零或前后两个计算值符号发生改变，则判定为电流一阶导数过零，则进入步骤5，否则，进入步骤4；

需要连续采集多个点，分别计算电流变化的一阶及二阶导数，采用电流一阶、二阶导数相结合的方法来判断故障。故障判断分为两种情况：

(1)电流一阶导数不为零

当采样计算出电流一阶导数不为零时，可以直接采样电流一阶导数判断是否有故障，如计算出的电流一阶导数满足式(15)，则说明电路中出现了短路故障。

(2)电流一阶导数为零

在电流一阶导数过零的时候，仅采用短路电流的一阶导数无法迅速的判断出故障的发生，需要采用电流二阶导数来判断，所以还需要加上一个在电流一阶导数过零时刻辅助判断的判断子程序。该程序以电流一阶导数过零为条件启动，在电流采样过程中，通过计算得到的电流一阶导数值与上一个采样点的电流一阶导数值相对比，如果得到的采样值为零或前后两个电流导数计算值符号发生改变，则判定为电流一阶导数过零，启动短路故障判断辅助子程序，计算二阶导数，进行判断，若计算得到的二阶导数超过式(16)所设定的阈值，则判断为短路故障发生，反之亦然。

(3)主程序实现

连续不断的对电流进行采样，计算电流一阶导数，判断是否满足式(15)；同时，当计算出的电流一阶导数过零点时，启动电流二阶导数计算程序，因此，可以把程序分为两个部分：一部分是主程序部分，一部分是短路故障判断辅助子程序部分，如图3所示。

在主程序里需要计算电流的一阶导数，判断计算出的导数值是否为零点，如不是零点，则与上次计算出的一阶导数值进行比较，如果满足式(15)，则判断为短路故障；如果不满足，则继续程序。主程序中只计算一阶导数可以减少计算量提高故障判断速度。在判断一阶导数过零时，再进入短路故障判断子程序对线路中电流进一步分析判断。

如图5所示，系统初始化后，开始采样线路电流并计算电流的一阶导数值，连续采样多次计算。若检测到电流一阶导数值超过阈值，则计算连续采样的N 个电流导数平均值(N可以根据采样时间间隔及电流导数计算方法取值)用以消除误差，提高判断准确度。判断是否超过阈值，若检测计算的电流一阶导数值超过正常值，即可判断出发生了故障并进入短路故障处理程序；若计算的电流一阶导数值在阈值以下，则为无故障，可以视为干扰突变电流或采样误差等。如果无故障且有键按下触发菜单处理程序，就进行菜单处理，此时可对判别阈值分别进行设定。

(4)短路故障判断子程序工作原理

图6为故障判断子程序，进入短路故障判断子程序后，对采样的五个点，计算电流的一阶导数、二阶导数，并分别于上一次计算值进行比较，超出了阈值就进行短路故障处理，若都未超过则返回主程序继续采样检测计算。

(5)电流过零判断子程序工作原理

当电流一阶导数为零，或者在零点附件，则启动电流二阶导数计算判断程序，这就需要对电流一阶导数值进行数值判断，电流一阶导数过零判断子程序框图如图7所示。

计算出电流一阶导数后，判断计算出的导数值是否为零，若为零，则进行电流二阶导数计算，与上次计算出的二阶导数值比较，判断是否故障发生。若计算出的电流一阶导数不为零，则与上次计算出的一阶导数值比较，判断二者符号是否相同，如相同，则不是过零点，继续监测电流一阶导数；若二者符号不同，则表明在一阶导数过零点在二次采样计算点中间，启动电流二阶导数计算程序，将计算出的电流二阶导数值与上次计算出的值进行比较，用以判断是否有短路故障发生。

步骤4：进入第三阶段：将计算的电流一阶导数值与记录的前一个一阶导数值进行比较计算，计算式如下：

上式中，表示在t＝t₁时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，表示在下一个采样时刻即t＝t₂时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，k₁为系数，其大小可以根据煤矿电网实际供电情况进行设置。

若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入第一步骤；

步骤5：进入第四阶段：二阶导数计算；对于电流一阶导数过零点线路，计算多个电流二阶导数值，将电流变化二阶导数值与前一个二阶导数值进行比较计算，计算式如下：

表示在t＝t₁时刻，电流对时间二阶导数的绝对值，表示在下一个采样时刻即t＝t₂时刻，电流对时间二阶导数的绝对值。

若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入第2步骤。

Claims (3)

1.一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，主要作为煤矿电网短路故障判断，其特征在于：在判断过程中该方法主要包括四个阶段的判断计算：第一阶段，电流一阶导数计算；第二阶段，电流一阶导数过零点判断；第三阶段，电流一阶导数判断；第四阶段，电流二阶导数计算及判断；首先进入第一阶段，不间断计算煤矿电网线路电流变化率情况；然后进入第二阶段，判断电流一阶导数是否过零点，如果电流一阶导数过零，则进入第四阶段，启动电流二阶导数计算；否则，则进入第三阶段，与前一个电流变化率计算结果相比较，如果电流一阶导数超出设定的变化范围，则判定发生短路故障，如果未超过设定范围，进行第一阶段继续进行电流一阶导数计算；第四阶段中，电流二阶导数计算，与前一个计算的电流二阶导数相比较，如果超出设定范围，则判定为短路故障，并进行相应操作，否则，返回第一阶段。

2.根据权利要求1所述的基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：

步骤1：线路电流瞬时值采集；通过安装在各条线路上的电流互感器，采集各条线路上流过的电流瞬时值信号，进行电流分析计算；

步骤2：进入第一阶段：电流一阶导数计算判断；计算各条线路电流一阶导数值，并进行数据记录；

步骤3：进入第二阶段：电流一阶导数过零点判断；计算得到的电流一阶导数值与上一个采样点的电流一阶导数值相对比，如计算值为零或前后两个计算值符号发生改变，则判定为电流一阶导数过零，则进入步骤5，否则，进入步骤4；

步骤4：进入第三阶段：将计算的电流一阶导数值与记录的前一个电流一阶导数值进行比较计算，计算式如下：

上式中，表示在t＝t₁时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，表示在下一个采样时刻即t＝t₂时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，k₁为系数，其大小根据煤矿电网实际供电情况进行设置；

若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入步骤1；

步骤5：进入第四阶段：电流二阶导数计算；对于电流一阶导数过零点线路，计算多个电流二阶导数值，将电流二阶导数值与前一个电流二阶导数值进行比较计算，计算式如下：

表示在t＝t₁时刻，电流对时间二阶导数的绝对值，表示在下一个采样时刻即t＝t₂时刻，电流对时间二阶导数的绝对值，k₂为系数，其大小根据煤矿电网实际供电情况进行设置；

若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入步骤2。

3.根据权利要求1所述的基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，其特征在于：根据煤矿电网网络形式和负荷结构不同，设置不同的电流一阶导数、电流二阶导数判断系数k₁，k₂，以满足煤矿电网供电负荷情况变化要求。