矿井低压电缆绝缘在线监测探讨

1 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。采用该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。

    任一支路的绝缘参数可用如下公式计算：

   
    式(1)即可等效为以下两式：

   
    由式(2)，式(3)得：

   
    当电网绝缘参数对称时：

   
    式中：U为低频电压值；ω为角频率；θ为相位角；Ii为第i支路低频电流值；Ri为第i支路绝缘电阻总值；Ci为第i支路对地电容总值；RiA,RiB,RiC分别为i支路的A相，B相，C相绝缘电阻值。

2 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，如图2所示。

    使用理想三相电压源作为线路的供电电源，线电压0．4 kV，频率50 Hz。低频电源信号设为电压幅值为20 V，频率为10 Hz，采用π型等值电路。线路的正序参数每千米为：R1=O.20 Ω，L1=O.40 mH，C1=0.1μF。零序参数每千米为：R0=O.23Ω，L0=1.72 mH，C0=O.08μF。仿真模型中共包含3条电缆线路。

3 仿真分析
    按照选定模块和设置仿真参数进行仿真，得到图3波形图。

    从图3中可以看出，在故障支路上，其零序电流互感器检测到的1O Hz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，从而可以选择性的切断故障支路。
    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，代人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。
3．1 检测绝缘电阻的精度随支路对地电容的增加而下降
    为了获得接地电阻测量精度和电容的关系，设定了两种故障支路接地电阻100 kΩ，1O kΩ，并在各种接地电阻的情况下，从0～5μF改变故障支路对地电容。

    通过实测，得到了对地电容对各种接地电阻测量精度的影响关系(图4)。由图4可见，接地电阻的检测精度随支路对地电容的增加而下降，且对同一电容，误差随着接地电阻增大而增加。此因绝缘电阻越高，所得被测信号越小所致。
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3．2 电网对地电容的增大对故障支路定位的影响
    如表2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1 kΩ，低频电压幅值为20 V，频率为10 Hz。

    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。
3．3 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3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。

    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的低，以尽量减少电网对地电容对检测精度的影响，同时，低于50 Hz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10 Hz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50 Hz工频负载信号及其他高次谐波的影响。

4 测量误差分析
    由于实际系统中电流和电压的传输、提取过程中可能出现幅值和相位误差，从而可能对计算结果带来不利影响。根据式(4)可看出，绝缘电阻测量的相对误差与电压、电流模值测量误差满足以下关系：

   
    由式(6)可知绝缘电阻测量误差与电压幅值测量误差成正比，当电压幅值误差增加或减少时，Ri值的计算结果将随之相应地增加或减少。由式(7)可知电流幅值的影响则相反，当电流模值误差增加或减少时，Ri值的计算结果将相应地减少或增加，由上述误差分析可以看出，在实际工程应用中，绝缘电阻的测量精度主要受电流、电压传感器幅值误差的影响，这可作为传感器设计和选型的参考。

5 结 语
    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，通过它可时时观察电网的绝缘水平，具有良好的工程应用前景。