矿井低压电缆绝缘在线监测探讨

文/潘国奇李庆汉

矿井低压电缆绝缘在线监测探讨

文/潘国奇李庆汉

我国煤矿井下低压电网采用变压器中性点绝缘的运行方式，电力的传输主要靠电缆。由于供电环境恶劣，电缆线路经常发生单相漏电或单相接地故障，不仅会引起人身触电，还可能导致瓦斯、煤尘爆炸，甚至使电气雷管提前引爆。因此，研究电缆绝缘参数的在线监测技术，对提高供电的安全性和可靠性具有非常重要的意义。

一、矿井低压电缆绝缘参数在线监测原理

煤矿井下长期以来采用基于零序电压的绝缘监测装置和基于功率方向的漏电保护装置。前者在电网三相绝缘对称下降后，不能反映其变化；后者只有在电缆发生漏电后才发出跳闸信号，不能在单相接地故障发生前对电网的绝缘水平做出准确的预测。针对其不足，本文采用基于附加低频电源检测的电缆绝缘参数在线监测方法。不仅可以实现对每一分支电缆对地绝缘参数的在线监测，还可实现电网的选择性保护。

附加低频电源法的基本原理是在三相交流电网中附加一个低频电源信号。低频电源经三相电抗器进入电网，再由电网的对地电容、绝缘电阻入地，构成低频电流回路，通过对各低频电流信号进行处理与计算，即可求得各条支路电缆的绝缘电阻情况，从而实现在线监测。

对低频信号而言三相电抗器和线路阻抗引入的电抗值极小，与低压电网的绝缘阻抗相比，可以忽略不计。故可得到如图1所示的等效电路。

二、系统模型的建立和实现

本文采用Matlab软件进行仿真。Matlab在电力系统方面的应用已经相当成熟。在Simulink环境下，在电力系统仿真模块库中选择系统仿真所需要的各个模块，搭建仿真模型。使用理想三相电压源作为线路的供电电源，线电压0.4kV，频率50Hz。低频电源信号设为电压幅值为20V，频率为10Hz，采用π型等值电路。线路的正序参数每千米为：R1=0.20Ω，L1=0.40mH，C1=0.1μF。 零序参数每千米为：R0=0.23Ω，L0=1.72mH，C0=0.08μF。仿真模型中共包含3条电缆线路。

三、仿真分析

按照选定模块和设置仿真参数进行仿真，得到波形图，如图2所示。

从图2中可以看出，在故障支路上，其零序电流互感器检测到的10Hz的低频电流要远远大于绝缘电阻完好的支路上，相对于故障支路上的低频电流，非故障支路漏电流可以忽略不计。这样，便可以很容易区分故障支路与非故障支路，从而可以选择性地切断故障支路。

改变绝缘参数时，进行仿真，根据测得的低频电流值及其相位角，代入绝缘参数公式可得各种绝缘状况下的绝缘参数值。

由仿真结果看出，在电缆运行过程中，通过采集分析附加低频信号可以检测出故障支路。无论电缆三相对地绝缘是否对称，该方法均能反映其变化，不仅能够在单相接地故障发生前对电网的绝缘水平做出准确的预测，而且可以有选择性预测绝缘水平下降的故障支路，这种选择方式简便易行，并且与变压器的中性点接地方式无关，使得这种绝缘监测方式，能够应用在各种电网的保护系统中，更具通用性。克服了基于功率方向的漏电保护装置和基于零序电压的绝缘监测方法的局限性，并且在故障时可以实现故障选线。

通过仿真及其统计，可看出附加低频电源法有以下问题需要引起重视。

1.电网对地电容的增大对故障支路定位的影响

如表1所示，Ii为故障支路漏电流，Ik为最大非故障支路漏电流。接地电阻为1kΩ，低频电压幅值为20V，频率为 10Hz。

表1不同的C∑对故障支路定位影响关系C∑/μF 2．4 4．4 8．4 10．4 12．4 14．4 Ii／mA 39．69 39．76 39．88 39．95 40．01 40．08 Ik／mA 0．5453 7．576 15．23 19．09 23．00 26．94

当电缆对地分部电容发生变化时，非故障支路漏电流逐渐与故障支路漏电流接近大小，由于此时电缆中的漏电流基本上都是容性电流，阻性电流可以忽略不计，这时便无法区分故障与非故障支路。

2．注入频率的选择

注入频率的选择直接影响到附加低频电源法应用于电网绝缘故障定位的效果。如表2所示，改变了测试电源频率，当频率增大时，测量回路中的低频电流不断增大，主要是由于容性电流的影响，因为I=ωCU，随频率增大，容性电流跟着变大，注入频率越大，故障支路和非故障支路的漏电流就相差不大，难以实现故障选线。

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为此应按以下原则确定注入信号的频率：

(1)注入频率应该尽可能地低，以尽量减少电网对地电容对检测精度的影响。同时，低于50Hz工频的注入频率不会与电网正常的各种工作频率产生冲突。

(2)注入的正弦波频率稳定、波形畸变系数小，且信号要易于提取。

(3)保证传感器对微弱电流的测量精度。

综合考虑上述因素，可以选取10Hz作为注入频率，这样，工频为注入频率的整次谐波，在利用全周傅氏算法计算时，能有效消除50Hz工频负载信号及其他高次谐波的影响。

四、结论

理论分析和仿真计算表明，采用附加低频电源法对井下低压电网进行绝缘在线监测是完全可行的，通过它可实时观察电网的绝缘水平，具有良好的工程应用前景。

内蒙古伊泰集团）

李元 张振林）