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[摘要]针对矿井10KV供电系统经常发生单相接地故障而导致系统过电压现象，文章以Matlab仿真平台为基础，重点分析了金属性接地和弧光接地2种单相接地故障的特点，进行了数字仿真，并给出了故障波形和数值结果。
[关键词]矿井；供电系统；单相接地；金属性接地；弧光接地；仿真
中图分类号：TD214 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0111-02
1、引言
随着煤矿生产用电量的增大及供电网络的不断延伸，矿井高压电网单相接地电流不断增大。据统计，6-10KV的矿山供电网发生单相接地故障时，接地电流可高达7～80A。如此大的接地电流极易引起电弧接地过电压，严重威脅供电电缆的绝缘水平，有可能导致电缆放炮，引发多点接地，甚至造成相间短路等故障，严重影响供电的安全性和可靠性。因此，研究矿井10KV的电系统单相接地故障特征对于开发单相接地故障保护系统具有非常重要的指导意义。
2、单相接地故障特点
中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，当电网发生单相接地故障时，并不破坏系统线电压的对称性，《电力系统安全运行规程》规定可以继续运行12小时。而当接地电流超过30A时，会出现电弧时燃时灭的不稳定状态，导致电网中电感、电容回路的铁磁振荡，产生遍及全电网的电弧接地过电压。这种过电压延续时间较长，轻者会造成绝缘击穿，重者可能会引发避雷器爆炸或者电气火灾。因此，必须采取措施，予以防治。本文即重点针对供电系统在中性点不接地和经消弧线圈接地方式下发生金属性接地和弧光接地故障的情形进行仿真分析。
3、仿真波形及分析
3.1 稳态接地故障
（1）金属性接地故障。假定系统在O.04s时A相接地，此时A相电压为零，不利于电弧起弧燃烧，最有可能发展为金屙l生接地故障。其电压、电流波形如图1所示，其中，图1左侧为中性点不接地系统的仿真波形，右侧为中性点经消弧线圈接地系统的仿真波形。
①由图1可知发生单相接地故障后，系统将出现零序电压和零序电流，且接地初期的暂态峰值很大。消弧线圈可以使零序电压、零序电流以及故障相A相电流的稳态值减小，但由于消弧线圈自动跟踪补偿需要一个过程，所以对暂态值的影响不明显。
②由图1（a）、（b）可知发生单相接地故障后，故障支路零序电流暂态、稳态值均大于非故障支路，约为2倍左右。但在中性点不接地系统中发生单相接
地故障后，故障与非故障支路零序电流方向始终相反，而在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈过补偿运行，故障与非故障支路零序暂态电流方向相反，稳态零序电流方向相同。
③考虑不同中性点接地方式的供电系统，以零序电压作为启动信号，比较零序暂态电流幅值和相位的方法可以作为单相接地故障选线的依据。
④由于零序暂态电流衰减较快，对保护系统中采样元器件和采样算法提出了更高要求。DSPTMS320LF2407十位A/D转换器最小转换时间为500ns，可以满足上述采样要求。因此，保护电路可以选用该种DSP采集零序电流暂态峰值。
（2）故障点经不同接地电阻接地故障。取接地电阻R分别为10Ω、100Ω、1000Ω，可以看出，随着接地电阻的增大，故障支路与非故障支路暂态零序电流值均减小，反应到保护电路的设计中，这2个值差值的减小，不利于区分故障和非故障支路，将会降低选线的可靠性。因此，接地电阻的增大将影响到零序电流暂态选线的可靠性和灵敏度。
随着接地电阻的增大，暂态过程将缩短。以中性点不接地系统为例，接地电阻为1Ω时，t=0.02S；接地电阻为1000Ω时，t=0.005s。暂态过程的缩短对采样的实时性提出了更高的要求，因为有些芯片A/D转换时间过长，将不能满足采榉要求。因此，为了保证选线的准确性，在保护电路的设计中应结合实际10RV供电系统接地电阻的范围来考虑采样频率和采样算法的选取。
3.2 间歇性电弧接地故障
随着煤矿生产用电量的增大及供电网络的不断延伸，矿井高压电网单相接地电流不断增大，致使许多弧光接地故障不能自动熄灭，同时由于接地电流还没有大到足以产生稳定燃烧的电弧，于是就形成了熄弧与电弧重燃相互交替的不稳定状态，即间歇性电弧接地故障。间歇性电弧将导致系统中电磁能量的强烈振荡和集聚，使健全相和故障相均出现严重的弧光接地过电压。
电弧接地过电压故障的产生机理可用工频熄弧理论和高频熄弧理论来解释。这2种理论均假设故障相在电压为负的最大值时发生电弧接地，两者的区别在于：前者是暂态振荡电流过零时电弧熄灭，此后，每隔半个工频周波电弧重燃1次；后者是电弧接地时，经过半个工频周波后，当工频电流过零时电弧熄灭，再经过半个工频周波电弧重燃，依此循环反复。本文对A相发生间歇性弧光接地故障，用工频熄弧理论进行仿真与分析，模拟了3次燃弧和熄弧过程（开关的开合表征电弧的熄灭和重燃状态），燃弧时刻分别是0.005s、O.ff25s、0.045s，熄弧时刻分别是0.015s，0.035s、0.055s，弧道电阻取20（）。间歇性电弧接地故障支路电压、电流波形如图2所示，
其中，图2左侧为中性点不接地系统的仿真波形，右侧为中性点经消弧线圈接地系统的仿真波形。
（1）对比图2中各组波形可知，消弧线圈可以降低多次起弧重燃时系统的过电压、故障相的短路电流以及接地电流，但自动跟踪补偿需要一个过渡过程。如图2所示，消弧线圈对0.005s时刻的第一次弧光接地并无明显的改善效果。因此，当发生间歇性弧光接地故障时，一旦电缆绝缘在第一次接地时被击穿，由于电缆是固体绝缘，其绝缘被击穿后不能恢复，绝缘强度几乎降为零；即使消弧线圈把流经故障点的电流补偿为零，弧光熄灭，待故障相对地电压恢复后，电弧很快又再次重燃，系统仍无法恢复正常。因此，在电缆线路或者架空线与电缆混合线路中消弧线圈能否有效避免间歇性弧光接地故障发展成相问短路事故还需要进一步论证。
（2）由图2（c）可知，中性点不接地系统发生间歇性电弧接地故障时，过电压倍数可达到2.52，而接入消弧线圈后过电压倍数第一次起弧为1.96，之后降为1.65，可见消弧线圈对过电压有很好的抑制作用。我国实测l 0}（V供电系统过电压倍数最大为3.2，绝大部分均小于3.0，符合国标要求的10KV变电设备安全耐受内部过电压倍数不小于4.5，所以10KV变压器、电器的正常绝缘能承受这种过电压。
煤矿井下的电缆和设备易于受潮和受到砸、压、挤、碰，绝缘情况比较差，这种过电压对其威胁仍然较大，不过可以肯定的是相问过电压并非是造成相问短路的主要原因，并非是单相接地故障扩大的主要原因。
4、结论
本文就煤矿10KV供电系统在中性点不接地和经消弧线圈接地2种运行方式下发生稳态接地（包括金属性接地和经电阻接地）和间歇性弧光接地故障分别进行了数字仿真。仿真结果表明：
（1）以零序电压作为启动信号，比较零序暂态电流幅值和相位的方法可以作为单相接地故障选线的依据。
（2）由于零序暂态电流衰减较快，保护电路可选用DSP来采集零序电流暂态峰值，以确保采样的实时性和选线的准确性。
（3）在电缆线路中或者架空线与电缆混合线路中，消弧线圈能否有效避免间歇性弧光接地故障发展成相问短路故障还需要进一步论证。
（4）在间歇性弧光接地故障中相间过电压并非是造成相问短路的主要原因，并非是单相接地故障扩大的主要原因。
[关键词]矿井；供电系统；单相接地；金属性接地；弧光接地；仿真
中图分类号：TD214 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0111-02
1、引言
随着煤矿生产用电量的增大及供电网络的不断延伸，矿井高压电网单相接地电流不断增大。据统计，6-10KV的矿山供电网发生单相接地故障时，接地电流可高达7～80A。如此大的接地电流极易引起电弧接地过电压，严重威脅供电电缆的绝缘水平，有可能导致电缆放炮，引发多点接地，甚至造成相间短路等故障，严重影响供电的安全性和可靠性。因此，研究矿井10KV的电系统单相接地故障特征对于开发单相接地故障保护系统具有非常重要的指导意义。
2、单相接地故障特点
中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，当电网发生单相接地故障时，并不破坏系统线电压的对称性，《电力系统安全运行规程》规定可以继续运行12小时。而当接地电流超过30A时，会出现电弧时燃时灭的不稳定状态，导致电网中电感、电容回路的铁磁振荡，产生遍及全电网的电弧接地过电压。这种过电压延续时间较长，轻者会造成绝缘击穿，重者可能会引发避雷器爆炸或者电气火灾。因此，必须采取措施，予以防治。本文即重点针对供电系统在中性点不接地和经消弧线圈接地方式下发生金属性接地和弧光接地故障的情形进行仿真分析。
3、仿真波形及分析
3.1 稳态接地故障
（1）金属性接地故障。假定系统在O.04s时A相接地，此时A相电压为零，不利于电弧起弧燃烧，最有可能发展为金屙l生接地故障。其电压、电流波形如图1所示，其中，图1左侧为中性点不接地系统的仿真波形，右侧为中性点经消弧线圈接地系统的仿真波形。
①由图1可知发生单相接地故障后，系统将出现零序电压和零序电流，且接地初期的暂态峰值很大。消弧线圈可以使零序电压、零序电流以及故障相A相电流的稳态值减小，但由于消弧线圈自动跟踪补偿需要一个过程，所以对暂态值的影响不明显。
②由图1（a）、（b）可知发生单相接地故障后，故障支路零序电流暂态、稳态值均大于非故障支路，约为2倍左右。但在中性点不接地系统中发生单相接
地故障后，故障与非故障支路零序电流方向始终相反，而在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈过补偿运行，故障与非故障支路零序暂态电流方向相反，稳态零序电流方向相同。
③考虑不同中性点接地方式的供电系统，以零序电压作为启动信号，比较零序暂态电流幅值和相位的方法可以作为单相接地故障选线的依据。
④由于零序暂态电流衰减较快，对保护系统中采样元器件和采样算法提出了更高要求。DSPTMS320LF2407十位A/D转换器最小转换时间为500ns，可以满足上述采样要求。因此，保护电路可以选用该种DSP采集零序电流暂态峰值。
（2）故障点经不同接地电阻接地故障。取接地电阻R分别为10Ω、100Ω、1000Ω，可以看出，随着接地电阻的增大，故障支路与非故障支路暂态零序电流值均减小，反应到保护电路的设计中，这2个值差值的减小，不利于区分故障和非故障支路，将会降低选线的可靠性。因此，接地电阻的增大将影响到零序电流暂态选线的可靠性和灵敏度。
随着接地电阻的增大，暂态过程将缩短。以中性点不接地系统为例，接地电阻为1Ω时，t=0.02S；接地电阻为1000Ω时，t=0.005s。暂态过程的缩短对采样的实时性提出了更高的要求，因为有些芯片A/D转换时间过长，将不能满足采榉要求。因此，为了保证选线的准确性，在保护电路的设计中应结合实际10RV供电系统接地电阻的范围来考虑采样频率和采样算法的选取。
3.2 间歇性电弧接地故障
随着煤矿生产用电量的增大及供电网络的不断延伸，矿井高压电网单相接地电流不断增大，致使许多弧光接地故障不能自动熄灭，同时由于接地电流还没有大到足以产生稳定燃烧的电弧，于是就形成了熄弧与电弧重燃相互交替的不稳定状态，即间歇性电弧接地故障。间歇性电弧将导致系统中电磁能量的强烈振荡和集聚，使健全相和故障相均出现严重的弧光接地过电压。
电弧接地过电压故障的产生机理可用工频熄弧理论和高频熄弧理论来解释。这2种理论均假设故障相在电压为负的最大值时发生电弧接地，两者的区别在于：前者是暂态振荡电流过零时电弧熄灭，此后，每隔半个工频周波电弧重燃1次；后者是电弧接地时，经过半个工频周波后，当工频电流过零时电弧熄灭，再经过半个工频周波电弧重燃，依此循环反复。本文对A相发生间歇性弧光接地故障，用工频熄弧理论进行仿真与分析，模拟了3次燃弧和熄弧过程（开关的开合表征电弧的熄灭和重燃状态），燃弧时刻分别是0.005s、O.ff25s、0.045s，熄弧时刻分别是0.015s，0.035s、0.055s，弧道电阻取20（）。间歇性电弧接地故障支路电压、电流波形如图2所示，
其中，图2左侧为中性点不接地系统的仿真波形，右侧为中性点经消弧线圈接地系统的仿真波形。
（1）对比图2中各组波形可知，消弧线圈可以降低多次起弧重燃时系统的过电压、故障相的短路电流以及接地电流，但自动跟踪补偿需要一个过渡过程。如图2所示，消弧线圈对0.005s时刻的第一次弧光接地并无明显的改善效果。因此，当发生间歇性弧光接地故障时，一旦电缆绝缘在第一次接地时被击穿，由于电缆是固体绝缘，其绝缘被击穿后不能恢复，绝缘强度几乎降为零；即使消弧线圈把流经故障点的电流补偿为零，弧光熄灭，待故障相对地电压恢复后，电弧很快又再次重燃，系统仍无法恢复正常。因此，在电缆线路或者架空线与电缆混合线路中消弧线圈能否有效避免间歇性弧光接地故障发展成相问短路事故还需要进一步论证。
（2）由图2（c）可知，中性点不接地系统发生间歇性电弧接地故障时，过电压倍数可达到2.52，而接入消弧线圈后过电压倍数第一次起弧为1.96，之后降为1.65，可见消弧线圈对过电压有很好的抑制作用。我国实测l 0}（V供电系统过电压倍数最大为3.2，绝大部分均小于3.0，符合国标要求的10KV变电设备安全耐受内部过电压倍数不小于4.5，所以10KV变压器、电器的正常绝缘能承受这种过电压。
煤矿井下的电缆和设备易于受潮和受到砸、压、挤、碰，绝缘情况比较差，这种过电压对其威胁仍然较大，不过可以肯定的是相问过电压并非是造成相问短路的主要原因，并非是单相接地故障扩大的主要原因。
4、结论
本文就煤矿10KV供电系统在中性点不接地和经消弧线圈接地2种运行方式下发生稳态接地（包括金属性接地和经电阻接地）和间歇性弧光接地故障分别进行了数字仿真。仿真结果表明：
（1）以零序电压作为启动信号，比较零序暂态电流幅值和相位的方法可以作为单相接地故障选线的依据。
（2）由于零序暂态电流衰减较快，保护电路可选用DSP来采集零序电流暂态峰值，以确保采样的实时性和选线的准确性。
（3）在电缆线路中或者架空线与电缆混合线路中，消弧线圈能否有效避免间歇性弧光接地故障发展成相问短路故障还需要进一步论证。
（4）在间歇性弧光接地故障中相间过电压并非是造成相问短路的主要原因，并非是单相接地故障扩大的主要原因。