煤矿高压输电线路短路检测电路设计探析

输电论文第七篇：煤矿高压输电线路短路检测电路设计探析

　　摘要：对于检测煤矿高压输电线路的短路故障，本文提出了一种新的可靠性检测方法，通过采用集成芯片设计了短路故障判别电路，对线路中的基本参数做了分析计算，并且对判别电路做了模拟，模拟结果表示该判别线路可以准确地检测出线路短路故障。

　　关键词：高压输电线路; 短路故障; 检测方法;

　　High Reliability Detection Method for Short Circuit Faults of High-voltage Transmission Lines in Coal Mine

　　Shi Yulong

　　No.1 Mine of Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd.

　　Abstract：For detecting short circuit faults of high-voltage transmission lines in coal mine, this paper proposes a new reliability detection method. A short-circuit fault discrimination circuit is designed by using an integrated chip, the basic parameters in the line are analyzed and calculated, and the discrimination circuit is simulated. The simulation results show that the discrimination circuit can accurately detect short-circuit faults of the line.

　　前言

　　当前煤矿高压输电线路短路故障有着很多的检测方式，归结起来基本分为两种：一种是根据电流的大小来对短路故障进行检测，但是线路负荷往往在变动，特别是启动或者停止线路内大型电器设备的时候，其电流有着比较大的变动范围，所以这种短路故障检测方式通常不够精准；另一种是根据电流的变化率来对短路故障进行检测，当线路正常运转时，电流的变化率会在有限的范围内，而当线路发生短路故障的时候，电流的变化率会有着明显的增大。所以，线路是否发生短路故障可以通过电流变化率的大小来判别。

　　1. 设计电路

　　从大量的实际情况可以看出，根据电流的变化率来检测电路是否短路是一种可靠的检测方法[1]。当前通常采取瞬时值对电流进行采样，就是先按照奈奎斯特采样定理，采集电路的电流，通过分析和处理被采集的电流，把电流在瞬时间的变化率提出来，当变化率达到设定值就会报警[2]。这种方式需要对信号进行采样、处理等多种环节，有着较为复杂的电路结构，采样频率上也有着非常严格的要求，而且检测短路故障效率较低[3]。针对上述缺陷，采取集成芯片对检测短路故障的电路进行了设计。图1为检测电路短路的原理图。

　　从图1中可以看到，将电流互感器用CT表示，CT主要是用来采集电流信号。为使安装更为简便，这里使用的电流互感器是开合式的。R是CT两端的电阻，主要用来改变电流信号，使其变成电压信号。直流信号和交流信号的变换主要由C1与VD来实现的。比较器与RC组成了故障的判别系统，R6表示上拉电阻，确保比较器可以正常输出[4]。

　　以下为判别短路故障的原理：U1表示被测线路的电流大小，因为R1与R2相等，因而当线路在正常运行的时候，RC的电容电压，那么比较器在同相输入端上的电位V+就会比反相的V-要高，由比较器原理可知晓，输出电压是高电平；当线路产生短路故障时，对应的电压就会从U1骤变为U1t=kU1，这个时候比较器在反相输入端上的电压V-就会迅速上升成，然而因为C2两端上的电压不会产生突然性的变化，所以比较器的同相输入端V+不会发生改变，当k≥2,V-就会高于V+，输出电压是低电平。

　　图1 检测电路短路的原理图   下载原图

　　2. 基本参数的选择

　　通过上面的分析可以看出，通过比较器与RC来对电路的短路故障进行检测，选择好比较器以后，选取RC充放电回路的参数是十分重要的，按照一阶电路的全响应定义，可以用（1）式来表示Uc的响应:

　　在式（1）中，k表示短路电流和正常电流的系数比；R3C2表示RC的时间常数。

　　通常情况下，短路的保护时间是0.5S，所以在发生线路短路后，应当在0.5S的时间内使电容C2的电压UC基本持续不变，从而确保判断电路可以产生较低的低脉冲。因此，式（1）中的t应当为就能够将RC的参数求出来，即

　　进行整理后可得式（2):

　　如果将k取值为5，那么时间常数可求为：

　　也就是R3C2>1.06328，当电容C=47μF的时候，那么电阻R3为：

　　R3>01..06328000047=22.6229kΩ，取近似值R3=23kΩ。

　　如果将k取为10的时候，时间常数可以求为：

　　也就是R3C2>0.8506488，当电容C=47μF的时候，那么电阻R3为：

　　R3>00..0000478506488=18.0989kΩ，将R3取为18kΩ。

　　选取系数k是非常重要的，k的值过大或者过小都会引起误报或者漏报。在现实的应用中，应当按照电路负荷来对R3进行调节，从而选取合适的k值。

　　3. 模拟研究

　　为使线路短路故障判别性能得到进一步的考证，对此判别电路开展了模拟研究，主要是为了对该判别电路在短路故障上的反应速度，并且是否能够将短路故障和负荷变化进行区分。

　　(1)模拟短路故障

　　根据线路短路故障后的电流在理想状态下的曲线变化可以看到，依次设置t0,t1,t2,t3四个时刻，在正常工作的情况下，线路电流为Ig，如果在t0发生了相间短路，那么线路电流就会立刻从正常电流Ig突升为短路电流Is，到了t1的时候，电流速断保护，此时线路的电流是0[5]。通常情况下，电线的线路保护装有重合闸，到了t2这一时间点后，重合闸就开始发挥作用，若线路的短路故障是瞬时间的，那么重合闸就会启动合闸，线路中的电流变回Ig，线路电流恢复正常；如果短路故障并不是瞬间性的，重合闸无法成功，依旧具有短路电流Is，电流速断再次进行保护工作，电流在t3的时候变为0。

　　对短路故障进行模拟，通过按键产生短路故障电流，断开按键的时候，输入端没有电流；闭合按键的时候，输入端瞬时加+5V电压，输入电压就会瞬间从低电平变为高电平。

　　通过观察输入端与输出端的电压波形，可以看出当输入信号是0的时候，输出的信号显示为高电位，表明电路没有发生短路故障；输入信号骤然上升成高电位的时候，那么输出信号就会急速降为低电平，30ms后又重新变成高电平。此输出端大约产生30ms的负脉冲，即为线路短路输出的信号。

　　(2)模拟负荷变化

　　在模拟负荷变化的电路中，负荷变化信号是由电路中反相器与积分器的共同作用而产生的。合拢按键的时候，在积分器的输入端加上+5v的电压，通过反相器与积分器把信号输出，那么输出的信号表现为线性信号。式（3）由反相器与积分器的原理而得：

　　对电容C以及电阻R采取不同的值，线性信号的变化率就会有所不同。

　　通过观察输入信号与输出信号的波形可以看出，尽管输入信号在改变，但是变化率并不大，信号在1～5S内的变化率是0.6，在5～8S内是1.8，在输出端一直表现为高电位，由此可见，线路电流波动不影响电路的判别。

　　总结

　　(1）用平均值法对电流变化进行采样可以更加精准地检测电路短路故障。

　　(2）通过采用集成芯片设计的短路故障判别电路，对线路中的基本参数做了分析计算，并且对判别电路做了模拟，模拟结果表示该判别线路可以准确地检测出线路短路故障。

　　(3）这种检测方式已经用于煤矿高压输电线路短路故障的检测之中，结果表明根据电流变化率来判断电路是否短路是非常精准可靠的，应当得到应用与推广。

　　参考文献

　　[1]董爱华,余琼芳.煤矿高压输电线路短路故障高可靠性检测方法[J].计算机仿真,2014,31(4):154-157.
　　[2]陈志梅,王永安,袁广林.煤矿采动区高压输电线路改线技术方案研究[J].山西电力,2014,(6):16-19.
　　[3]吴巧玲,缪希仁,叶鎏芳.高压输电线路短路故障早期检测研究[J].电力系统保护与控制,2016,44(12):50-55.
　　[4]王彦文,高峰,赵永梅.基于电流变化率的短路故障快速检测原理分析[J].电气应用,2015,34(16):81-84.
　　[5]李炳绪,李兴斌,陈思磊.短路故障快速检测方法综述[J].电器与能效管理技术,2018,(2):1-10.