礦井低壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)探討

1 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。采用該方法不僅可以實(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。

    任一支路的絕緣參數(shù)可用如下公式計(jì)算：

   
    式(1)即可等效為以下兩式：

   
    由式(2)，式(3)得：

   
    當(dāng)電網(wǎng)絕緣參數(shù)對(duì)稱時(shí)：

   
    式中：U為低頻電壓值；ω為角頻率；θ為相位角；Ii為第i支路低頻電流值；Ri為第i支路絕緣電阻總值；Ci為第i支路對(duì)地電容總值；RiA,RiB,RiC分別為i支路的A相，B相，C相絕緣電阻值。

2 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)仿真模塊庫中選擇系統(tǒng)仿真所需要的各個(gè)模塊，搭建仿真模型，如圖2所示。

    使用理想三相電壓源作為線路的供電電源，線電壓0．4 kV，頻率50 Hz。低頻電源信號(hào)設(shè)為電壓幅值為20 V，頻率為10 Hz，采用π型等值電路。線路的正序參數(shù)每千米為：R1=O.20 Ω，L1=O.40 mH，C1=0.1μF。零序參數(shù)每千米為：R0=O.23Ω，L0=1.72 mH，C0=O.08μF。仿真模型中共包含3條電纜線路。

3 仿真分析
    按照選定模塊和設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，得到圖3波形圖。

    從圖3中可以看出，在故障支路上，其零序電流互感器檢測(cè)到的1O Hz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，從而可以選擇性的切斷故障支路。
    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，代人絕緣參數(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)行過程中，通過采集分析附加低頻信號(hào)可以檢測(cè)出故障支路。無論電纜三相對(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。克服了基于功率方向的漏電保護(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。
    通過仿真及其統(tǒng)計(jì)，可看出附加低頻電源法有以下問題需要引起重視。
3．1 檢測(cè)絕緣電阻的精度隨支路對(duì)地電容的增加而下降
    為了獲得接地電阻測(cè)量精度和電容的關(guān)系，設(shè)定了兩種故障支路接地電阻100 kΩ，1O kΩ，并在各種接地電阻的情況下，從0～5μF改變故障支路對(duì)地電容。

    通過實(shí)測(cè)，得到了對(duì)地電容對(duì)各種接地電阻測(cè)量精度的影響關(guān)系(圖4)。由圖4可見，接地電阻的檢測(cè)精度隨支路對(duì)地電容的增加而下降，且對(duì)同一電容，誤差隨著接地電阻增大而增加。此因絕緣電阻越高，所得被測(cè)信號(hào)越小所致。
3．2 電網(wǎng)對(duì)地電容的增大對(duì)故障支路定位的影響
    如表2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1 kΩ，低頻電壓幅值為20 V，頻率為10 Hz。

    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)便無法區(qū)分故障與非故障支路。
3．3 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3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)該盡可能的低，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50 Hz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10 Hz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50 Hz工頻負(fù)載信號(hào)及其他高次諧波的影響。

4 測(cè)量誤差分析
    由于實(shí)際系統(tǒng)中電流和電壓的傳輸、提取過程中可能出現(xiàn)幅值和相位誤差，從而可能對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來不利影響。根據(jù)式(4)可看出，絕緣電阻測(cè)量的相對(duì)誤差與電壓、電流模值測(cè)量誤差滿足以下關(guān)系：

   
    由式(6)可知絕緣電阻測(cè)量誤差與電壓幅值測(cè)量誤差成正比，當(dāng)電壓幅值誤差增加或減少時(shí)，Ri值的計(jì)算結(jié)果將隨之相應(yīng)地增加或減少。由式(7)可知電流幅值的影響則相反，當(dāng)電流模值誤差增加或減少時(shí)，Ri值的計(jì)算結(jié)果將相應(yīng)地減少或增加，由上述誤差分析可以看出，在實(shí)際工程應(yīng)用中，絕緣電阻的測(cè)量精度主要受電流、電壓傳感器幅值誤差的影響，這可作為傳感器設(shè)計(jì)和選型的參考。

5 結(jié) 語
    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，通過它可時(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。