摘要：通過(guò)研究單相漏電時(shí)零序電壓的變化規(guī)律，研究了礦井電纜絕緣下降檢測(cè)方法及動(dòng)力電纜附加低頻信號(hào)取樣技術(shù)，結(jié)合常規(guī)漏電保護(hù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了動(dòng)力電纜絕緣參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及配套軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井低壓供電系統(tǒng)每一分支電纜的絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，達(dá)到選擇性漏電保護(hù)的目的。

關(guān)鍵詞：礦井電網(wǎng)；絕緣下降；電纜監(jiān)測(cè)；漏電保護(hù)；低頻信號(hào)

0引言

漏電故障是由于帶電導(dǎo)體對(duì)地絕緣下降到一定程度，漏電流增大到一定程度的漏電現(xiàn)象。漏電故障會(huì)使電網(wǎng)三相電壓對(duì)地不對(duì)稱(chēng)，且中性點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生位移，并產(chǎn)生零序電壓和零序電流。井下電網(wǎng)漏電分為分散性漏電和集中性漏電。分散性漏電是由于整條供電線(xiàn)路絕緣水平下降到一定程度造成的漏電；集中性漏電是由于電網(wǎng)三相電中的一相對(duì)地絕緣失效造成的漏電，這種漏電電流很大，對(duì)人危害也比較大。

礦井供電系統(tǒng)產(chǎn)生漏電故障的原因主要有檢查不到位、操作不當(dāng)、電纜絕緣層被破壞、電纜絕緣老化、電纜受潮、電氣設(shè)備或電纜選擇不當(dāng)過(guò)載運(yùn)行、電纜或開(kāi)關(guān)設(shè)備過(guò)電壓運(yùn)行、電纜過(guò)長(zhǎng)或開(kāi)關(guān)過(guò)多造成的電網(wǎng)總絕緣水平下降、接頭不牢、喇叭口封堵不嚴(yán)等。漏電故障需要停電維護(hù)處理，對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，如果維修不及時(shí)也極易發(fā)生觸電事故。如果造成通風(fēng)機(jī)停機(jī)，將有可能造成瓦斯積聚而引起安全事故。

目前，煤礦井下應(yīng)用的開(kāi)關(guān)漏電保護(hù)裝置應(yīng)用不是十分可靠，偶爾會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況。由于電容電流補(bǔ)償裝置使電網(wǎng)保護(hù)裝置不能正確選擇出故障線(xiàn)路，并使非故障線(xiàn)路跳閘，影響煤礦供電安全，影響煤礦生產(chǎn)作業(yè)。本文設(shè)計(jì)了絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅能監(jiān)測(cè)整個(gè)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，而且能準(zhǔn)確判斷出故障線(xiàn)路，避免誤動(dòng)作的發(fā)生，可以取代預(yù)防性檢修，提高了煤礦電網(wǎng)的安全性，研究意義重大。

1單相漏電時(shí)零序電壓的變化規(guī)律

礦井電網(wǎng)各相對(duì)地絕緣與電網(wǎng)形成的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，用節(jié)點(diǎn)電壓法分析比較合理和方便。單相漏電示意圖如圖1所示，當(dāng)圖1中電路A相發(fā)生漏電時(shí)，其等效電路如圖2所示。假設(shè)R為漏電電阻，其并聯(lián)到了Z0上，破壞了電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)性，產(chǎn)生零序電壓U0。

這是一個(gè)極坐標(biāo)方程，直徑為rUA/(3R+r)，圓的直徑隨著不同的r和R而變化，但都通過(guò)相量U0，圓柱內(nèi)切于圓點(diǎn)。

2礦井電纜絕緣下降檢測(cè)方法

目前絕緣下降檢測(cè)方法主要有直流疊加法、直流分量法、直流成分法、電纜絕緣介損法、接地線(xiàn)電流、電纜絕緣在線(xiàn)檢測(cè)、波電流方向原理法、低頻重疊法等，根據(jù)分析對(duì)比，附加信號(hào)的方法比較適合煤礦井下電纜絕緣下降檢測(cè)。附加直流信號(hào)方式工頻供電造成的直流分量對(duì)附加信號(hào)有影響，使檢測(cè)信號(hào)不易被檢出。附加交流信號(hào)有高頻信號(hào)和低頻信號(hào)2種。

礦井電網(wǎng)為中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)，漏電流阻抗為容性，容性阻抗對(duì)于頻率高的交流信號(hào)呈現(xiàn)阻抗減小的特性。因此，附加高頻交流信號(hào)，漏電會(huì)區(qū)分不出附加的信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)。如果采用低頻信號(hào)，容抗隨附加信號(hào)頻率的降低影響越發(fā)明顯，而檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的漏電流不會(huì)受到影響。考慮容性電流的影響，本文采用線(xiàn)路上疊加36V、10Hz低頻信號(hào)的測(cè)量方法。由于容性電流受頻率降低的影響，但阻性電流變化不大，能夠從測(cè)量的信號(hào)中區(qū)分出來(lái)，實(shí)現(xiàn)電流絕緣參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。附加低頻信號(hào)法的原理是在電網(wǎng)中附加一個(gè)低頻信號(hào)源，其工作原理如圖3所示

低頻電源產(chǎn)生的低頻信號(hào)通過(guò)隔離變壓器傳送給三相電抗器SK，由SK進(jìn)入電網(wǎng)，再通過(guò)對(duì)地電容C和絕緣電阻r流入大地，再與取樣電阻R和保護(hù)電阻J形成回路。電流互感器LH1、LH2、LH3獲取相應(yīng)的電流信號(hào)，通過(guò)計(jì)算處理，即可求得各個(gè)支路的電纜絕緣情況，從而進(jìn)行故障選線(xiàn)操作。其等效電路如圖4所示。

由式(14)計(jì)算獲得絕緣電阻值，當(dāng)r比設(shè)置的門(mén)檻值小時(shí)，就可以判斷該支路發(fā)生了絕緣下降故障，可以進(jìn)行故障斷電操作。

通過(guò)研究分析，該故障檢測(cè)方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)電網(wǎng)某支路發(fā)生絕緣下降故障時(shí)，該支路電流互感器能夠采集到低頻電流信號(hào)，絕緣正常的支路則不能采集到該信號(hào)，因此可以準(zhǔn)確地判斷出故障支路。動(dòng)作門(mén)檻值只與低頻信號(hào)和接地電阻有關(guān)，只要選擇合適的電流信號(hào)，就能保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠動(dòng)作。

3絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心板采用SEED-DPS2812；CPU主頻150MHz；片外SRAM：256K×16位；片外Flash：256K×16位；大32K×8位SPI串行接口EEPROM；實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC＋56字節(jié)NvRAM；18位、580KSPS轉(zhuǎn)換率的片A/D；20路帶光電隔離開(kāi)關(guān)量輸入(12~24V直流)；18路帶光電隔離開(kāi)關(guān)量輸出(5~40V直流)；隔離型RS232/RS485各1路(隔離電壓2500V)；1路標(biāo)準(zhǔn)RJ45鏈接器；1路eCAN收發(fā)驅(qū)動(dòng)，符合CAN2.0協(xié)議；外接3×3鍵盤(pán)；底板設(shè)計(jì)：DIDO全部光電隔離；包含模擬量采集輸入信號(hào)調(diào)理電路。低頻電源設(shè)計(jì)采用51系列單片機(jī)外擴(kuò)D/A輸出電路，產(chǎn)生交流低頻信號(hào)；采用50Hz雙T型陷波器，功率放大等構(gòu)成電源輸出信號(hào)調(diào)理板。液晶用DWIN64480010_WN。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

研發(fā)信號(hào)調(diào)理模塊，將漏電流變送器的輸出信號(hào)放大、濾波，原理如圖6所示。設(shè)計(jì)采用超微晶電流互感器，電壓形成回路、帶阻濾波、放大電路、帶通濾波組成模擬量采集信號(hào)調(diào)理板。研發(fā)信號(hào)處理單元，外部使用16位AD進(jìn)行采樣，能夠?qū)﹄娏鞯奈⑿∽兓M(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)設(shè)備工作電壓：AC660V(三相)；輸入視在功率：250V·A；端口數(shù)量：1路(KT83-Z信號(hào)轉(zhuǎn)換器傳輸)；傳輸方式：多主式、CAN；傳輸速率：5kb/s；傳輸距離：4km(使用MHYVR電纜或MHYVP電纜，導(dǎo)線(xiàn)截面不小于1.5mm2)；通信信號(hào)的電壓峰-峰值：1.5~5V。分站通過(guò)CAN總線(xiàn)連接至KT83-Z礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)實(shí)時(shí)診斷功能，并具備本地液晶顯示功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的低壓電網(wǎng)支路絕緣電阻下降時(shí)，分站顯示“絕緣下降”，進(jìn)入狀態(tài)，并將故障支路告知監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域判斷，同時(shí)發(fā)出故障區(qū)域閉鎖信息。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的低壓電網(wǎng)支路絕緣電阻恢復(fù)正常時(shí)，分站顯示“絕緣良好”。

礦井電網(wǎng)線(xiàn)路保護(hù)監(jiān)控平臺(tái)軟件旨在為用戶(hù)提供動(dòng)力電纜絕緣參數(shù)來(lái)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，以及實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線(xiàn)路保護(hù)功能的各種界面。具有基本在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，包括多支路電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數(shù)等參數(shù)采集與顯示。用戶(hù)可以通過(guò)軟件提供的界面設(shè)置任意保護(hù)整定參數(shù)，系統(tǒng)按照用戶(hù)設(shè)置的整定值完成監(jiān)測(cè)過(guò)程，并可按用戶(hù)要求自動(dòng)按間隔記錄一次電網(wǎng)參數(shù)或者記錄用戶(hù)感興趣的當(dāng)前值。在發(fā)生漏電故障(采集值大于設(shè)置整定值)時(shí)，軟件具有及實(shí)時(shí)記錄故障數(shù)值的功能。具備手動(dòng)設(shè)置功能和絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)警戒閾值、選擇性漏電保護(hù)整定值、短路保護(hù)整定值的設(shè)置功能。具備漏電保護(hù)選線(xiàn)功能，可顯示故障支路號(hào)。具備對(duì)地絕緣電阻顯示功能，提供外配設(shè)備接入支持。此外，還具備完善的數(shù)據(jù)管理、組態(tài)顯示和打印功能。

4試驗(yàn)測(cè)試

用MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)(PowerSystemBlockset)中的模塊，進(jìn)行RLC電路、電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真模型搭建。搭建的仿真模型主要包括電源模塊(Three-Phase Source)、變壓器模塊(Three-PhaseTransformer)、負(fù)載模塊(Three-PhaseSeriesRLCLoad)、電流表模塊 (CurrentMeasurement)、濾波器(ButterworthFilter)和示波器模塊(Scope)等。在動(dòng)力電纜上模擬套接的高靈敏度電流互感器檢測(cè)電源信號(hào)的波形，區(qū)分故障支路與非故障支路，從而達(dá)到有選擇性地切斷故障支路的目的。更換所選模塊的參數(shù)，模擬零序電流互感器檢測(cè)的工頻電流與非故障支路檢測(cè)到的電流。設(shè)置不同煤礦動(dòng)力電纜仿真參數(shù)，模擬仿真動(dòng)力

電纜絕緣參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。建立煤礦井下低壓電網(wǎng)仿真模型，如圖7所示。

采用高精度動(dòng)力電纜故障測(cè)試系統(tǒng)、大電流發(fā)生器、動(dòng)力電纜絕緣漏電檢測(cè)裝置、礦用屏蔽通信電纜等組建礦井電纜對(duì)地絕緣值測(cè)試系統(tǒng)。總饋電漏電保護(hù)通過(guò)直流電源對(duì)地檢測(cè)來(lái)完成，當(dāng)對(duì)地絕緣電阻小到一定值時(shí)開(kāi)關(guān)漏電閉鎖，開(kāi)關(guān)正常工作后，負(fù)載側(cè)線(xiàn)路當(dāng)對(duì)地漏電電阻小到一定值時(shí)，開(kāi)關(guān)將快速動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間在200ms范圍內(nèi)，此動(dòng)作時(shí)間會(huì)大于分饋電工作狀態(tài)時(shí)的50ms，使得總、分饋電縱向漏電保護(hù)的時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，在分開(kāi)關(guān)負(fù)載側(cè)漏電時(shí)，總饋電不至于誤動(dòng)作。

總饋電的負(fù)載側(cè)1K漏電試驗(yàn)時(shí)，首先按下總饋電試驗(yàn)柜表盤(pán)上的按鈕選擇0.22μF或者0.47μF或者1.0μF對(duì)地電容，選擇對(duì)地電容大說(shuō)明線(xiàn)路長(zhǎng)，當(dāng)按下1K漏電試驗(yàn)按鈕后，可以觀(guān)測(cè)到對(duì)地漏電電流和開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間，電流和時(shí)間的乘積由于被試開(kāi)關(guān)的三相電抗器具有對(duì)電容電流的補(bǔ)償功能而不應(yīng)大于30mA·s，從試驗(yàn)當(dāng)中可以看出開(kāi)關(guān)的負(fù)載線(xiàn)路不宜過(guò)長(zhǎng)，線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起漏電流增大，增大人身觸電的危險(xiǎn)性。總饋電的負(fù)載側(cè)漏電不能引起其負(fù)載側(cè)的任何一路分饋電的動(dòng)作。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)于單條支路絕緣下降、漏電故障，還是分散性絕緣下降、漏電故障，如果單純地采用傳統(tǒng)的、利用母線(xiàn)電流故障特征量作判據(jù)的選擇性漏電保護(hù)都有一些局限性。采用基于低頻疊加法的零序功率方向型的差動(dòng)選擇性漏電保護(hù)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別故障特征，正確反映故障類(lèi)型，達(dá)到在線(xiàn)獲取電纜絕緣參數(shù)并將漏電故障及時(shí)排除于萌芽階段的目的。

5絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

5.1絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

5.2絕緣故障定位產(chǎn)品

工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測(cè)儀使用，主要包括ASG200測(cè)試信號(hào)發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線(xiàn)回路較多的IT配電系統(tǒng)。

5.3絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀

絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。

6技術(shù)參數(shù)

6.1絕緣監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

6.2測(cè)試信號(hào)發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

6.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

6.5絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀技術(shù)參數(shù)

7結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析供電系統(tǒng)發(fā)生接地故障后的各種故障信息及其特征規(guī)律，對(duì)常用的各種算法進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上研究動(dòng)力電纜絕緣參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法，提出用附加低頻信號(hào)電源的方法進(jìn)行動(dòng)力電纜絕緣參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方案，建立動(dòng)力電纜分布參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用零序功率方向原理實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)接地保護(hù)。絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在電網(wǎng)處于工作狀態(tài)下對(duì)電纜絕緣狀況進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，不僅能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的絕緣水平，而且可以監(jiān)測(cè)每一分支電纜的絕緣狀況，大大提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平，取代預(yù)防性檢修，將由絕緣薄弱引發(fā)的故障現(xiàn)象消滅在萌芽狀態(tài)，具有重大意義。

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