基于相电流分时比值的煤矿高压漏电保护方法技术领域
本发明涉及一种煤矿高压漏电保护方法，主要应用于6KV及以下煤矿中性
点经消弧线圈接地方式运行系统中，可以自动选出故障线路并作用于跳闸。
背景技术
煤矿高压电网单相接地漏电故障是煤矿漏电系统运行中长期存在的问题。
在我国煤矿高压电网中（包括地面及井下高压电网），大多数配电网采用中性
点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。由于这两种系统发生单相接地故
障时，不会形成短路回路，接地短路电流很小，故障点电弧能够自行熄灭。在
所有的故障类型中，高压漏电系统发生单相接地故障几率最高,当煤矿地面高
压电网一旦发生单相接地故障，供电仍能保证线电压的对称性,且故障电流很小,
不影响电力系统对负荷连续供电,因此不需要立即跳闸。如果井下高压电网发生
单相接地故障，则根据规程要求，故障线路应立即切断，如果无法及时切断故
障线路则易使故障扩大为两点或者多点接地短路，弧光接地还会引起井下高压
电网过电压，从而损坏井下重要高压电气设备。
到目前为止，基于不同煤矿高压电网漏电保护理论已经先后推出了几代产
品。但在实际应用中，对于中性点不接地系统采用零序电流比幅比相原理漏电
保护方法可以达到极高的准确率。但是对于中性点经消弧线圈接地系统，当系
统发生单相接地故障时，由于接地残流过小，且根据规程要求消弧线圈必须处
于过补偿状态，故障线路和健全线路流过的零序电流方向相同，故障零序过电
流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。现有的故障高压漏电保护方
法并不理想，有必要进一步研究。
目前，煤矿高压漏电保护方法失效的原因主要是：故障边界太复杂、随机，
难以用单一统计模型描述；故障稳态分量小，给信号的检测和高压漏电保护判
断造成困难；补偿电网失谐度的影响，线路长短及结构的影响，故障合闸角的
影响，电流互感器的影响；以及抗干扰的软措施，高压漏电保护装置的适应能
力较差。
煤矿高压漏电保护方法局限性：（1）仅仅利用故障后很短时间内的暂态信
号进行一次漏电保护判断，在一些情况下很可能造成误选。（2）目前，大多数
高压漏电保护装置采用了利用故障电流稳态分量进行高压漏电保护的方法，其
效果要优于其他方法。（3）高压漏电接地故障状况复杂多样，所表现出来的故
障特征在形式上、大小上都变化无常。（4）仅利用故障某一方面的特征构造单
一型高压漏电保护判据具有片面性。
发明内容
本发明提出一种基于相电流分时比值的煤矿高压漏电保护方法，适应于中
性点经消弧线圈接地的漏电保护系统。通过对多个判据不充分的高压漏电保护
结果进行融合，得到一个更加充分可信的判断结果。
本发明所采用的技术方案：
一种基于相电流分时比值的煤矿高压漏电保护方法，对于中性点经消弧线
圈接地的漏电保护系统，根据相电流暂态、稳态的变化，分别进行暂态相电流
比值法和稳态相电流比值法选漏，自动选出故障线路并通过所述漏电保护系统
采取相应的漏电保护措施，其步骤如下：
1）监测零序电压，获得暂态相电流比值和稳态相电流比值；
2）比较两种选漏结果，如果两种选漏结果相同，则给出判断结果；
3）如果两种选漏结果不同，则根据相电流比值大的判断结果做出判断结论；
4）漏电保护系统根据前述综合选线结果，发出报警信号或同时执行跳闸，
实现漏电保护。
所述的基于相电流分时比值的煤矿高压漏电保护方法，暂态相电流比值法
选漏的过程如下：
1）配电网正常工作运行时，对各线路相电流进行5个周波的定积分采样，
则各线路相电流定积分为
y ix = ∫ t t + 5 T I ix dt - - - ( 1 ) ]]>
式（1）中，yix为第i条线路x相电流定积分，t为开始采样时间，T为一个周
期，Iix为第i条线路x相电流，i=1,2，...，n为馈线条数，x=a，b，c；
2）当某线路发生单相（a相）接地故障时，接地相电压降低，其他两相升
高，判断出故障相，相电流经过4、5个周波趋于稳定时，对故障后各线路A相
电流的前5个周波进行定积分采样；各线路故障相电流定积分为
y i = ∫ t 1 t 1 + 5 T I i dt - - - ( 2 ) ]]>
式（2）中，yi为第i条线路故障相电流定积分，t1为故障开始时间，T为一个
周期，Ii为第i条线路故障相电流，i=1,2，...，n为馈线条数；
3）根据故障前后各线路故障相电流定积分暂态变化，对暂态故障相电流进
行比值，得出：
s i = y i y / i - - - ( 3 ) ]]>
式（3）中，yi为第i条线路故障相电流定积分，y/i第i条线路正常运行时故
障相电流定积分；
4）将各条线路中暂态故障相电流进行比值，求得最大simax，最大比值simax求
出的线路即为故障线路。
所述的基于相电流分时比值的煤矿高压漏电保护方法，稳态相电流比值法
选漏的过程如下：
1）当配电网发生单相接地故障时，对各条线路相电流进行前50个周波的
采样，采样相电流幅值，得出各条线路单相相电流幅值之和：
Y ix = I i 1 x + I i 2 x · · · + I i 50 x - - - ( 4 ) ]]>
2）求出各线路最大、最小相电流幅值和，线路最大、最小相电流比值为：
Si＝|Yimax|/|Yimin| （5）
式（5）中，Yimax为第i条线路最大相电流幅值和，Yimin为第i条线路最小相电
流幅值和；
3）将各条线路中稳态故障相电流进行比值，求得最大Simax，最大比值Simax求
出的线路即为故障线路。
本发明的有益效果：
1、本发明煤矿高压漏电保护方法，适应于中性点经消弧线圈接地的漏电保
护系统，判断结果准确、可靠。克服了传统方法各单一判据都存在的各自的局
限性。比较高压漏电保护的最终目标就是要构造满足充分性条件的比较高压漏
电保护判据。
2、本发明煤矿高压漏电保护方法，原理简单、结果可靠、实现方便、对过
渡电阻的适应能力强，能够排除不平衡电流的影响。充分发挥了现有设备的作
用，避免了设备和资金的浪费，保证了煤矿高压电网运行的可靠性。使某一用
户的故障不会造成主干线路及相邻用户的停电，将故障的影响范围以及危害程
度降至最低。
附图说明
图1：本发明煤矿高压漏电保护方法综合选线（选漏）流程图；
图2：实现本发明高压漏电保护方法的主控系统（硬件）结构示意图；
图3：实现本发明高压漏电保护方法的主控系统主程序设计示意图；
图4：中性点经消弧线圈接地的高压电网系统仿真图。
具体实施方式
实施例一：参见图1，本发明基于相电流分时比值的煤矿高压漏电保护方法，
对于中性点经消弧线圈接地的漏电保护系统，根据相电流暂态、稳态的变化，
分别进行暂态相电流比值法和稳态相电流比值法选漏，并通过综合比较得出选
线结果，然后通过所述漏电保护系统采取相应的漏电保护措施，其步骤如下：
1）监测零序电压，获得暂态相电流比值和稳态相电流比值；
2）比较两种选漏结果，如果两种选漏结果相同，则给出判断结果；
3）如果两种选漏结果不同，则根据相电流比值大的判断结果做出判断结论；
4）漏电保护系统根据前述综合选线结果，发出报警信号或同时执行跳闸动作，
实现漏电保护。
实施例二：参见图1，本实施例结合附图，具体说明了本发明基于相电流分
时比值的煤矿高压漏电保护方法的实现步骤。
首先，监测零序电压，获得暂态相电流比值和稳态相电流比值；获得暂态
相电流比值和稳态相电流比值的过程分别如下：
1、暂态相电流比值
配电网正常工作运行时，对各线路相电流进行5个周波的定积分采样，则
各线路相电流定积分为
y ix = ∫ t t + 5 T I ix dt - - - ( 1 ) ]]>
式（1）中，yix为第i条线路x相电流定积分，t为开始采样时间，T为一个周
期，Iix为第i条线路x相电流，i=1,2，...，n为馈线条数，x=a，b，c。
当某线路发生单相（a相）接地故障时，接地相电压降低，其他两相会升高，
从而能判断出故障相。各线路a相电流都有小幅增大，尤其是暂态阶段增大比
较明显，经过4、5个周波趋于稳定，这个时候对故障后各线路A相电流的前5
个周波进行定积分采样。各线路故障相电流定积分为
y i = ∫ t 1 t 1 + 5 T I i dt - - - ( 2 ) ]]>
式（2）中，yi为第i条线路故障相电流定积分，t1为故障开始时间，T为一个
周期，Ii为第i条线路故障相电流，i=1,2，...，n为馈线条数。根据故障前后
各线路故障相电流定积分暂态变化，对暂态故障相电流进行比值，得出：
s i = y i y / i - - - ( 3 ) ]]>
式（3）中，yi为第i条线路故障相电流定积分，y/i第i条线路正常运行时故
障相电流定积分。因此，只要将各条线路中暂态故障相电流进行比值，求得最
大simax，最大比值simax求出的线路即为故障线路。
2、稳态相电流比值法
当配电网发生单相接地故障时，对各条线路相电流进行前50个周波的采样，
采样相电流幅值，得出各条线路单相相电流幅值之和：
Y ix = I i 1 x + I i 2 x · · · + I i 50 x - - - ( 4 ) ]]>
求出各线路最大、最小相电流幅值和，线路最大、最小相电流比值为：
Si＝|Yimax|/|Yimin| （5）
式（5）中，Yimax为第i条线路最大相电流幅值和，Yimin为第i条线路最小
相电流幅值和。因此，只要将各条线路中稳态故障相电流进行比值，求得最大
Simax，最大比值Simax求出的线路即为故障线路。
其次，比较两种漏电保护结果，如果两种漏电保护结果相同，则给出判断
结果；如果两种漏电保护结果不相同，则根据相电流比值大的判断结果做出判
断结论。本发明煤矿高压漏电保护方法，适合中性点经消弧线圈接地的高压漏
电保护，首先根据相电流暂、稳态的变化，分别进行暂稳态的漏电保护，在两
种漏电结果不相同的情况下，再根据比较两种漏电保护结果的思路最终选择故
障线路并作用于跳闸。
图4所示为中性点经消弧线圈接地的高压电网系统仿真图，我们对其进行
仿真实验分析。由于完全补偿存在串联谐振过电压问题，因此实际工程常采用
过补偿方式，消弧线圈过补偿为9％，电压等级为6KV，模型中有4条线路，线
路长度为13km、17.5km、15.1km和20km，线路负荷为有功7000KW、8000KW、
7000KW、8000KW，无功为800KW、750KW、700KW和900KW。当线路3在0.1km处
发生A相单相接地时参看以下情况类型。
当发生金属性接地，故障合闸角为0度时，漏电保护结果如表1（漏电保护
结果一）所示：
表1：漏电保护结果一
当发生经电阻100Ω接地，故障合闸角为30度时，漏电保护结果如表2所
示：
表2：漏电保护结果二
当发生经电阻1000Ω接地，故障合闸角为90度时，漏电保护结果如表3所
示：
表3：漏电保护结果三
从数据可以看出，接地电阻越大，稳态漏电保护判据比暂态漏电保护判据
明显，且不受合闸角度的影响，暂稳态漏电保护都能准确选出故障线路。
本发明采用上述方法对不同故障线路、不同故障合闸角、不同过渡电阻等
故障类型进行了仿真，仿真结果都能准确选出故障线路。
实现本发明高压漏电保护方法的主控系统硬件如图2所示。主控系统由DSP
芯片TMS320F2812及其外围器件组成，包括晶振电路，时钟芯片（R8025）、存
放初始整定值的E2PROM芯片（24C256N）、以及数据存储器（IS61LV6416）。
这是整个装置的核心部分，它承担着数据的采集、计算、逻辑判断、定时、存
储等工作。以此开发以32位DSP芯片TMS320F2812为中央控制单元的新型综合
保护系统，该处理器处理速度快，性能优越，能有效的实现对电压、电流等各
种电气参数综合保护功能。
设计电路时，尽量选择集成化程度高，本身有一定抗干扰能力，功耗小的
电子器件，并尽可能少地使用分立元件。可以采用软件和硬件抗干扰措施。硬
件抗干扰措施包括电源系统抗干扰措施、I/O通道抗干扰措施、印刷电路板抗干
扰措施。当软件抗干扰失效时，看门狗给出复位信号，系统复位。当保护系统
初次上电，系统会进行自检，如果没发现问题，则继续执行其他程序，如果发
现问题，则及时报警，避免系统带故障运行；设置系统时钟，定时对系统进行
在线检查，及时发现运行中的错误；并且设置用户自检功能，通过按键操来启
动，恢复原始设置。主程序设计如图3所示。