礦井低壓電纜絕緣在線監測探討

　　我國煤礦井下低壓電網采用變壓器中性點絕緣的運行方式，電力的傳輸主要靠電纜。由于供電環境惡劣，電纜線路經常發生單相漏電或單相接地故障，不僅會引起人身觸電，而且還可能導致瓦斯、煤塵爆炸，甚至使電氣雷管提前引爆。因此，研究電纜絕緣參數的在線監測技術，對提高供電的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

　　1 礦井低壓電纜絕緣參數在線監測原理

　　 煤礦井下長期以來采用基于零序電壓的絕緣監測裝置和基于功率方向的漏電保護裝置。前者在電網三相絕緣對稱下降后，不能反映其變化；后者只有在電纜發生漏電后才發出跳閘信號，不能在單相接地故障發生前對電網的絕緣水平做出準確的預測。針對其不足，本文采用基于附加低頻電源檢測的電纜絕緣參數在線監測方法。采用該方法不僅可以實現對每一分支電纜對地絕緣參數的在線監測，還可實現電網的選擇性保護。

　　 附加低頻電源法的基本原理是在三相交流電網中附加一個低頻電源信號。低頻電源經三相電抗器進入電網，再由電網的對地電容、絕緣電阻入地，構成低頻電流回路，通過對各低頻電流信號進行處理與計算，即可求得各條支路電纜的絕緣電阻情況，從而實現在線監測。

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

?任一支路的絕緣參數可用如下公式計算：

　　 式(1)即可等效為以下兩式：

　　 由式(2)，式(3)得：

　　 當電網絕緣參數對稱時：

　　 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 系統模型的建立和實現

　　 本文采用Matlab軟件進行仿真。Matlab在電力系統方面的應用已經相當成熟。在Simulink環境下，在電力系統仿真模塊庫中選擇系統仿真所需要的各個模塊，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。低頻電源信號設為電壓幅值為20 V，頻率為10 Hz，采用π型等值電路。線路的正序參數每千米為：R1=O.20 Ω，L1=O.40 mH，C1=0.1μF。零序參數每千米為：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

　　 按照選定模塊和設置仿真參數進行仿真，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到的1O Hz的低頻電流要遠遠大于絕緣電阻完好的支路上，相對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。這樣，便可以很容易區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。

?改變絕緣參數時，進行仿真，根據測得的低頻電流值及其相位角，代人絕緣參數公式可得各種絕緣狀況下的絕緣參數值。

　　 由仿真結果看出，在電纜運行過程中，通過采集分析附加低頻信號可以檢測出故障支路。無論電纜三相對地絕緣是否對稱，該方法均能反映其變化，不僅能夠在單相接地故障發生前對電網的絕緣水平做出準確的預測，而且可以有選擇性預測絕緣水平下降的故障支路，這種選擇方式簡便易行，并且與變壓器的中性點接地方式無關，使得這種絕緣監測方式，能夠應用在各種電網的保護系統中，更具通用性。克服了基于功率方向的漏電保護裝置和基于零序電壓的絕緣監測方法的局限性，并且在故障時可以實現故障選線。

　　 通過仿真及其統計，可看出附加低頻電源法有以下問題需要引起重視。

　　3．1 檢測絕緣電阻的精度隨支路對地電容的增加而下降

　　 為了獲得接地電阻測量精度和電容的關系，設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改變故障支路對地電容。

　　 通過實測，得到了對地電容對各種接地電阻測量精度的影響關系(圖4)。由圖4可見，接地電阻的檢測精度隨支路對地電容的增加而下降，且對同一電容，誤差隨著接地電阻增大而增加。此因絕緣電阻越高，所得被測信號越小所致。

　　3．2 電網對地電容的增大對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。

　　圖片看不清楚？請點擊這里查看原圖（大圖）。

　　 當電纜對地分部電容發生變化時，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，這時便無法區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用于電網絕緣故障定位的效果。如表3所示，改變了測試電源頻率，當頻率增大時，測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，因為I=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，難以實現故障選線。

　　 為此應按以下原則確定注入信號的頻率：

　　 (1)注入頻率應該盡可能的低，以盡量減少電網對地電容對檢測精度的影響，同時，低于50 Hz工頻的注入頻率不會與電網正常的各種工作頻率產生沖突。

　　 (2)注入的正弦波頻率穩定、波形畸變系數小，且信號要易于提取。

　　 (3)保證傳感器對微弱電流的測量精度。

　　 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算時，能有效消除50 Hz工頻負載信號及其他高次諧波的影響。

　　4 測量誤差分析

　　 由于實際系統中電流和電壓的傳輸、提取過程中可能出現幅值和相位誤差，從而可能對計算結果帶來不利影響。根據式(4)可看出，絕緣電阻測量的相對誤差與電壓、電流模值測量誤差滿足以下關系：

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

　　5 結 語

　　 理論分析和仿真計算表明，采用附加低頻電源法對井下低壓電網進行絕緣在線監測是完全可行的，通過它可時時觀察電網的絕緣水平，具有良好的工程應用前景　。