文/潘國(guó)奇李慶漢

礦井低壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)探討

文/潘國(guó)奇李慶漢

我國(guó)煤礦井下低壓電網(wǎng)采用變壓器中性點(diǎn)絕緣的運(yùn)行方式，電力的傳輸主要靠電纜。由于供電環(huán)境惡劣，電纜線路經(jīng)常發(fā)生單相漏電或單相接地故障，不僅會(huì)引起人身觸電，還可能導(dǎo)致瓦斯、煤塵爆炸，甚至使電氣雷管提前引爆。因此，研究電纜絕緣參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)提高供電的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

一、礦井低壓電纜絕緣參數(shù)在線監(jiān)測(cè)原理

煤礦井下長(zhǎng)期以來(lái)采用基于零序電壓的絕緣監(jiān)測(cè)裝置和基于功率方向的漏電保護(hù)裝置。前者在電網(wǎng)三相絕緣對(duì)稱下降后，不能反映其變化；后者只有在電纜發(fā)生漏電后才發(fā)出跳閘信號(hào)，不能在單相接地故障發(fā)生前對(duì)電網(wǎng)的絕緣水平做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。針對(duì)其不足，本文采用基于附加低頻電源檢測(cè)的電纜絕緣參數(shù)在線監(jiān)測(cè)方法。不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一分支電纜對(duì)地絕緣參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的選擇性保護(hù)。

附加低頻電源法的基本原理是在三相交流電網(wǎng)中附加一個(gè)低頻電源信號(hào)。低頻電源經(jīng)三相電抗器進(jìn)入電網(wǎng)，再由電網(wǎng)的對(duì)地電容、絕緣電阻入地，構(gòu)成低頻電流回路，通過(guò)對(duì)各低頻電流信號(hào)進(jìn)行處理與計(jì)算，即可求得各條支路電纜的絕緣電阻情況，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

對(duì)低頻信號(hào)而言三相電抗器和線路阻抗引入的電抗值極小，與低壓電網(wǎng)的絕緣阻抗相比，可以忽略不計(jì)。故可得到如圖1所示的等效電路。

二、系統(tǒng)模型的建立和實(shí)現(xiàn)

本文采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。Matlab在電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。在Simulink環(huán)境下，在電力系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)中選擇系統(tǒng)仿真所需要的各個(gè)模塊，搭建仿真模型。使用理想三相電壓源作為線路的供電電源，線電壓0.4kV，頻率50Hz。低頻電源信號(hào)設(shè)為電壓幅值為20V，頻率為10Hz，采用π型等值電路。線路的正序參數(shù)每千米為：R1=0.20Ω，L1=0.40mH，C1=0.1μF。 零序參數(shù)每千米為：R0=0.23Ω，L0=1.72mH，C0=0.08μF。仿真模型中共包含3條電纜線路。

三、仿真分析

按照選定模塊和設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，得到波形圖，如圖2所示。

從圖2中可以看出，在故障支路上，其零序電流互感器檢測(cè)到的10Hz的低頻電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣電阻完好的支路上，相對(duì)于故障支路上的低頻電流，非故障支路漏電流可以忽略不計(jì)。這樣，便可以很容易區(qū)分故障支路與非故障支路，從而可以選擇性地切斷故障支路。

改變絕緣參數(shù)時(shí)，進(jìn)行仿真，根據(jù)測(cè)得的低頻電流值及其相位角，代入絕緣參數(shù)公式可得各種絕緣狀況下的絕緣參數(shù)值。

由仿真結(jié)果看出，在電纜運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)采集分析附加低頻信號(hào)可以檢測(cè)出故障支路。無(wú)論電纜三相對(duì)地絕緣是否對(duì)稱，該方法均能反映其變化，不僅能夠在單相接地故障發(fā)生前對(duì)電網(wǎng)的絕緣水平做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，而且可以有選擇性預(yù)測(cè)絕緣水平下降的故障支路，這種選擇方式簡(jiǎn)便易行，并且與變壓器的中性點(diǎn)接地方式無(wú)關(guān)，使得這種絕緣監(jiān)測(cè)方式，能夠應(yīng)用在各種電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)中，更具通用性?？朔嘶诠β史较虻穆╇姳Ｗo(hù)裝置和基于零序電壓的絕緣監(jiān)測(cè)方法的局限性，并且在故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)故障選線。

通過(guò)仿真及其統(tǒng)計(jì)，可看出附加低頻電源法有以下問(wèn)題需要引起重視。

1.電網(wǎng)對(duì)地電容的增大對(duì)故障支路定位的影響

如表1所示，Ii為故障支路漏電流，Ik為最大非故障支路漏電流。接地電阻為1kΩ，低頻電壓幅值為20V，頻率為 10Hz。

表1不同的C∑對(duì)故障支路定位影響關(guān)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

當(dāng)電纜對(duì)地分部電容發(fā)生變化時(shí)，非故障支路漏電流逐漸與故障支路漏電流接近大小，由于此時(shí)電纜中的漏電流基本上都是容性電流，阻性電流可以忽略不計(jì)，這時(shí)便無(wú)法區(qū)分故障與非故障支路。

2．注入頻率的選擇

注入頻率的選擇直接影響到附加低頻電源法應(yīng)用于電網(wǎng)絕緣故障定位的效果。如表2所示，改變了測(cè)試電源頻率，當(dāng)頻率增大時(shí)，測(cè)量回路中的低頻電流不斷增大，主要是由于容性電流的影響，因?yàn)镮=ωCU，隨頻率增大，容性電流跟著變大，注入頻率越大，故障支路和非故障支路的漏電流就相差不大，難以實(shí)現(xiàn)故障選線。

?

為此應(yīng)按以下原則確定注入信號(hào)的頻率：

(1)注入頻率應(yīng)該盡可能地低，以盡量減少電網(wǎng)對(duì)地電容對(duì)檢測(cè)精度的影響。同時(shí)，低于50Hz工頻的注入頻率不會(huì)與電網(wǎng)正常的各種工作頻率產(chǎn)生沖突。

(2)注入的正弦波頻率穩(wěn)定、波形畸變系數(shù)小，且信號(hào)要易于提取。

(3)保證傳感器對(duì)微弱電流的測(cè)量精度。

綜合考慮上述因素，可以選取10Hz作為注入頻率，這樣，工頻為注入頻率的整次諧波，在利用全周傅氏算法計(jì)算時(shí)，能有效消除50Hz工頻負(fù)載信號(hào)及其他高次諧波的影響。

四、結(jié)論

理論分析和仿真計(jì)算表明，采用附加低頻電源法對(duì)井下低壓電網(wǎng)進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測(cè)是完全可行的，通過(guò)它可實(shí)時(shí)觀察電網(wǎng)的絕緣水平，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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李元 張振林）