单相接地故障作为矿井高压电网最主要的故障类型,如果不能有效的辨别故障线路并及时切除,易发展成为更严重的两相短路故障,危及电网的供电可靠性。若引起越级跳闸事故影响到风机正常工作,造成的瓦斯积聚极易诱发爆炸,将对矿井人员的安全构成严重威胁。因此从保障煤矿安全生产出发,要求供电系统应具备准确判断、迅速隔离单相接地故障的能力。但对于中性点非有效接地系统,单相接地形成的故障电流信号微弱,稳态特征不明显,导致小电流接地故障检测较难解决。虽然现有单相接地故障选线技术已趋于成熟,但故障定位技术一直未能有所突破,更是缺乏在井下现场的应用经验。本文在深入分析单相接地故障稳态及暂态过程机理的基础上,研究利用线路模型及故障信号自身特征的选线及定位方法,借助网络型的智能化供电系统,探索更为合理的故障选线及定位方法。为有效解决因单相接地故障引起的横向、纵向误跳闸事故,本文给出了基于WAMS和IEC61850通信协议的矿井高压电网网络化配置方案。重点研究了将广域测量技术应用于煤矿电网的几个关键性问题,指出授时系统应具备高精度同步保持及热备份的功能,并确定采用GPS和北斗系统互备的工作模式。在保护系统结构上采用分层采集、集中监控的模式,按功能及联络形式将系统结构分为站控层、间隔层和过程层,保护配置则统一采用网络统筹判断与终端就地保护相结合的方式,使系统整体可靠性大为提高。阐述了基于本方案的工程改造实例,结合供电系统拓扑结构,给出了故障诊断及远程实时监控的流程。合理的线路模型可有效提高故障分析的精度和效率,是仿真验证故障选线及定位判据的基础和关键。本文首先分析了电力线路中常用的三大类参数模型,介绍了模型各自的建模原理和适用范围。根据二端口网络外特性推导出π模型、T模型和分布参数线路模型的H参数及T参数矩阵方程,给出了线路两端电压、电流的互推关系式。鉴于矿井高压电缆的实际长度与工频波长相比等效为很小的集总元件,从不同模型的应用范围考虑,确定采用多级π等值电路作为单相接地故障仿真分析的线路模型。由于H混合参数矩阵能有效体现模型的短路和开路特性,本文应用频率响应法,对比分析了π模型和T模型的H元素频率特性,确定两者可相互等效的适用频带范围,为多级π模型向多级T模型的转换提供了理论依据。通过分析多T级联网络两端的参量关系,建立端电压的三元差分方程式,并求解得出线路模型的谐振频率表达式。基于稳态量的选线方法要求信号幅值具有可辨识性,为了衡量不同线路对稳态信号的衰减程度,提出了基于线路“末端功率”的综合衰减度判据,对比不同级联个数和线路长度,指出多级π线路模型对稳态量的衰减近似于分布参数模型。分析了基于零序电流特征频带的选线原理,将最长健全线路的首容性频率与多级π线路模型的最高振荡频率相比,确定暂态分析中π模型的级联个数,并通过仿真验证了双π线路模型在稳态和暂态分析中可近似等效为分布参数模型的结论。根据故障线路特定点零序电流的含义,提出了基于分布式零序电流互感器的故障定位方法,给出了故障点距线路首末两端的计算公式,并指出了基于该定位方法的实现条件。根据零序差动保护原理,提出了基于零序电流差动量的选线及定位方法。首先依据矿井高压电网中性点的不同接地类型,详细分析了故障稳态零序电流在不同馈线支路中的分布规律,指出所有健全线路及故障点下游线路的零序电流与故障点上游线路零序电流在极性和幅值方面的差异。分析了故障零序电压跟随接地电阻变化的规律,给出两种接地方式下故障相的判定准则。定义零序电流差动量0?i为线路区段首端及末端所测零序电流的矢量之差。由于线路零序电导会影响零序电流矢量的分布规律,使得0?i在健全区段和故障区段间具有明显的相角差,同时结合幅值关系建立了适用于不同脱谐度下的的故障选线及定位判据,并给出了故障区段的详细判定流程,克服了基于稳态量的选线及定位方法不适用于消弧线圈接地系统的弊端。由于矿井高压电网的辐射状多分支结构,将各条电缆线路自然分段,为基于零序电流差动量的选线及定位方法的实际应用创造了条件,详细阐述了在网络型矿井接地保护系统中本方法的实现过程。matlab仿真结果在验证了零序无功方向选线原理正确性的同时,指出中性点不接地系统中,故障区段零序电流差动量幅值与健全区段存在较大差异,无需相位关系即可实现故障区段判定,而系统经消弧线圈补偿后,脱谐度的不同使得故障区段零序电流差动量的幅值产生较大变化,甚至会小于健全区段,此时应以相位作为主要判据。当接地电阻值增大时,各区段0?i幅值会明显减小,应相应提高检测设备的灵敏度。针对不同接地方式下分支线路末端故障的选线问题,本文依据仿真结果给出了相应解决方案。单相接地故障破坏了原有供电系统的稳态性,使其经过一个短暂的暂态过渡过程后进入新的稳态。相比于故障产生的稳态信号,暂态信号含有更加丰富的特征信息,幅值可达稳态量的数倍以上。本文通过对故障暂态过程的深入分析,研究基于暂态量的选线及定位方法。根据矿井高压电网的实际结构,建立了单相接地故障等效电路模型。给出了故障前三相线路参数不平衡时的零序电压表达式,指出故障相电压幅值会受到各相参数不平衡的影响,并应用戴维宁定律对电路模型进行了等效变换。定性分析了线路中零序电流暂态脉冲的形成机理,初步得出故障线路与健全线路暂态脉冲极性相反的结论。按照等效电路模型,建立零序电压的非齐次方程式,求解得出过补偿状态下故障线路与健全线路的零序电流简化时域表达式,并利用符号函数运算判定暂态脉冲极性,所得结论与定性分析相同。本文还分析了各级联络线首端进线开关处零序电流暂态脉冲极性的分布规律,为后续矩阵定位算法的实现奠定了基础。仿真结果表明,故障区段与其向上各级故障线路的零序电流暂态脉冲极性相同,而与其它健全线路的脉冲极性相反。由于暂态脉冲的幅度和宽度决定了信号检测设备的精度和数据窗大小,仿真分析了脉冲幅度和宽度所受影响因素,得出其跟随故障角φ及接地电阻变化的规律。详细阐述了基于网基结构矩阵和基于网形结构矩阵的故障定位算法原理,对比分析了两种算法各自的优缺点,指出基于网基结构矩阵的定位算法需要进行规格化处理,运算量大影响了定位的时效性,而基于网形结构矩阵的算法在判定过程中无需规格化,判据原理清晰,具有实现馈线末端故障和双重故障的能力。依据网形结构矩阵算法的优点,提出以暂态脉冲极性为故障判据的通用矩阵优化定位算法。该算法按照电网拓扑连接关系建立网络描述矩阵,根据各开关节点上传的零序电流暂态脉冲最大幅值的极性构建故障特征矩阵,最终利用全新定义的优化判定准则实现故障区段的快速、准确定位。分别针对四种情况进行了算例仿真:变电所间联络线故障、馈线末端故障、双重接地故障和算法纠错能力。仿真结果验证了该优化定位算法的优越性和可行性。在地面集控中心的保护主机上配置依据本算法编写的单相接地故障区段定位软件,可实现监控范围内故障区段的在线快速判断,有效提高了矿井高压电网多级线路的单相接地故障选择性保护能力。最后,本文对所做工作进行了总结,并对下一步的研究方向进行了展望。