胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：通過研究單相漏電時零序電壓的變化規律，研究了礦井電纜絕緣下降檢測方法及動力電纜附加低頻信號取樣技術，結合常規漏電保護技術，開發了動力電纜絕緣參數在線監測系統及配套軟件，實現了對礦井低壓供電系統每一分支電纜的絕緣在線監測，達到選擇性漏電保護的目的。

關鍵詞：礦井電網；絕緣下降；電纜監測；漏電保護；低頻信號

0引言

漏電故障是由于帶電導體對地絕緣下降到一定程度，漏電流增大到一定程度的漏電現象。漏電故障會使電網三相電壓對地不對稱，且中性點也會產生位移，并產生零序電壓和零序電流。井下電網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三相電中的一相對地絕緣失效造成的漏電，這種漏電電流很大，對人危害也比較大。

礦井供電系統產生漏電故障的原因主要有檢查不到位、操作不當、電纜絕緣層被破壞、電纜絕緣老化、電纜受潮、電氣設備或電纜選擇不當過載運行、電纜或開關設備過電壓運行、電纜過長或開關過多造成的電網總絕緣水平下降、接頭不牢、喇叭口封堵不嚴等。漏電故障需要停電維護處理，對生產造成嚴重影響，如果維修不及時也極易發生觸電事故。如果造成通風機停機，將有可能造成瓦斯積聚而引起安全事故。

目前，煤礦井下應用的開關漏電保護裝置應用不是十分可靠，偶爾會出現誤動作的情況。由于電容電流補償裝置使電網保護裝置不能正確選擇出故障線路，并使非故障線路跳閘，影響煤礦供電安全，影響煤礦生產作業。本文設計了絕緣在線監測系統，不僅能監測整個電網的絕緣狀態，而且能準確判斷出故障線路，避免誤動作的發生，可以取代預防性檢修，提高了煤礦電網的安全性，研究意義重大。

1單相漏電時零序電壓的變化規律

礦井電網各相對地絕緣與電網形成的節點網絡，用節點電壓法分析比較合理和方便。單相漏電示意圖如圖1所示，當圖1中電路A相發生漏電時，其等效電路如圖2所示。假設R為漏電電阻，其并聯到了Z0上，破壞了電網對稱性，產生零序電壓U0。

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

2礦井電纜絕緣下降檢測方法

目前絕緣下降檢測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、接地線電流、電纜絕緣在線檢測、波電流方向原理法、低頻重疊法等，根據分析對比，附加信號的方法比較適合煤礦井下電纜絕緣下降檢測。附加直流信號方式工頻供電造成的直流分量對附加信號有影響，使檢測信號不易被檢出。附加交流信號有高頻信號和低頻信號2種。

礦井電網為中性點不接地的小電流接地系統，漏電流阻抗為容性，容性阻抗對于頻率高的交流信號呈現阻抗減小的特性。因此，附加高頻交流信號，漏電會區分不出附加的信號與檢測信號。如果采用低頻信號，容抗隨附加信號頻率的降低影響越發明顯，而檢測信號產生的漏電流不會受到影響。考慮容性電流的影響，本文采用線路上疊加36V、10Hz低頻信號的測量方法。由于容性電流受頻率降低的影響，但阻性電流變化不大，能夠從測量的信號中區分出來，實現電流絕緣參數的在線監測。附加低頻信號法的原理是在電網中附加一個低頻信號源，其工作原理如圖3所示

低頻電源產生的低頻信號通過隔離變壓器傳送給三相電抗器SK，由SK進入電網，再通過對地電容C和絕緣電阻r流入大地，再與取樣電阻R和保護電阻J形成回路。電流互感器LH1、LH2、LH3獲取相應的電流信號，通過計算處理，即可求得各個支路的電纜絕緣情況，從而進行故障選線操作。其等效電路如圖4所示。

由式(14)計算獲得絕緣電阻值，當r比設置的門檻值小時，就可以判斷該支路發生了絕緣下降故障，可以進行故障斷電操作。

通過研究分析，該故障檢測方法具有如下優點：當電網某支路發生絕緣下降故障時，該支路電流互感器能夠采集到低頻電流信號，絕緣正常的支路則不能采集到該信號，因此可以準確地判斷出故障支路。動作門檻值只與低頻信號和接地電阻有關，只要選擇合適的電流信號，就能保證監測系統可靠動作。

3絕緣在線監測系統設計

絕緣在線監測系統核心板采用SEED-DPS2812；CPU主頻150MHz；片外SRAM：256K×16位；片外Flash：256K×16位；最大32K×8位SPI串行接口EEPROM；實時時鐘RTC＋56字節NvRAM；18位、580KSPS轉換率的片A/D；20路帶光電隔離開關量輸入(12~24V直流)；18路帶光電隔離開關量輸出(5~40V直流)；隔離型RS232/RS485各1路(隔離電壓2500V)；1路標準RJ45鏈接器；1路eCAN收發驅動，符合CAN2.0協議；外接3×3鍵盤；底板自主設計：DIDO全部光電隔離；包含模擬量采集輸入信號調理電路。低頻電源設計采用51系列單片機外擴D/A輸出電路，產生交流低頻信號；采用50Hz雙T型陷波器，功率放大等構成電源輸出信號調理板。液晶用DWIN64480010_WN。系統拓撲結構圖如圖5所示。

自主研發信號調理模塊，將漏電流變送器的輸出信號放大、濾波，原理如圖6所示。設計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調理板。自主研發信號處理單元，外部使用16位AD進行采樣，能夠對電流的微小變化進行處理。監測設備工作電壓：AC660V(三相)；輸入視在功率：250V·A；端口數量：1路(KT83-Z信號轉換器傳輸)；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，導線截面不小于1.5mm2)；通信信號的電壓峰-峰值：1.5~5V。分站通過CAN總線連接至KT83-Z礦用本安型信號轉換器可實現低壓電網實時診斷功能，并具備本地液晶顯示功能。當被監測的低壓電網支路絕緣電阻下降時，分站顯示“絕緣下降報警"，進入報警狀態，并將故障支路告知監控系統，實現故障區域判斷，同時發出故障區域閉鎖信息。當被監測的低壓電網支路絕緣電阻恢復正常時，分站顯示“絕緣良好"。

礦井電網線路保護監控平臺軟件旨在為用戶提供動力電纜絕緣參數來進行在線監測，以及實現電網線路保護功能的各種界面。具有基本在線監測功能，包括多支路電壓、電流、有功功率、無功功率以及功率因數等參數采集與顯示。用戶可以通過軟件提供的界面設置任意保護整定參數，系統按照用戶設置的整定值完成監測過程，并可按用戶要求自動按間隔記錄一次電網參數或者記錄用戶感興趣的當前值。在發生漏電故障(采集值大于設置整定值)時，軟件具有報警及實時記錄故障數值的功能。具備手動設置功能和絕緣在線監測警戒閾值、選擇性漏電保護整定值、短路保護整定值的設置功能。具備漏電保護選線功能，可顯示故障支路號。具備對地絕緣電阻顯示功能，提供外配設備接入支持。此外，還具備完善的數據管理、組態顯示和打印功能。

4試驗測試

用MATLAB/Simulink的電力系統模塊庫(PowerSystemBlockset)中的模塊，進行RLC電路、電力電子電路、電機控制系統和電力系統仿真模型搭建。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。在動力電纜上模擬套接的高靈敏度電流互感器檢測電源信號的波形，區分故障支路與非故障支路，從而達到有選擇性地切斷故障支路的目的。更換所選模塊的參數，模擬零序電流互感器檢測的工頻電流與非故障支路檢測到的電流。設置不同煤礦動力電纜仿真參數，模擬仿真動力

電纜絕緣參數在線監測系統。建立煤礦井下低壓電網仿真模型，如圖7所示。

采用高精度動力電纜故障測試系統、大電流發生器、動力電纜絕緣漏電檢測裝置、礦用屏蔽通信電纜等組建礦井電纜對地絕緣值測試系統。總饋電漏電保護通過直流電源對地檢測來完成，當對地絕緣電阻小到一定值時開關漏電閉鎖，開關正常工作后，負載側線路當對地漏電電阻小到一定值時，開關將快速動作，動作時間在200ms范圍內，此動作時間會大于分饋電工作狀態時的50ms，使得總、分饋電縱向漏電保護的時間錯開，在分開關負載側漏電時，總饋電不至于誤動作。

總饋電的負載側1K漏電試驗時，首先按下總饋電試驗柜表盤上的按鈕選擇0.22μF或者0.47μF或者1.0μF對地電容，選擇對地電容大說明線路長，當按下1K漏電試驗按鈕后，可以觀測到對地漏電電流和開關動作時間，電流和時間的乘積由于被試開關的三相電抗器具有對電容電流的補償功能而不應大于30mA·s，從試驗當中可以看出開關的負載線路不宜過長，線路過長會引起漏電流增大，增大人身觸電的危險性。總饋電的負載側漏電不能引起其負載側的任何一路分饋電的動作。

試驗結果表明，無論對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的、利用母線電流故障特征量作判據的選擇性漏電保護都有一些局限性。采用基于低頻疊加法的零序功率方向型的差動選擇性漏電保護技術，能夠準確識別故障特征，正確反映故障類型，達到在線獲取電纜絕緣參數并將漏電故障及時排除于萌芽階段的目的。

5絕緣監測及絕緣故障定位產品

5.1絕緣監測及絕緣故障定位產品

AIM-T系列工業用絕緣監測儀

AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，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絕緣故障定位產品

工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統。

5.3絕緣監測耦合儀

絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，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。

6技術參數

6.1絕緣監測儀技術參數

6.2測試信號發生器技術參數

6.3絕緣故障定位儀技術參數

6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數

6.5絕緣監測耦合儀技術參數

7結語

通過分析供電系統發生接地故障后的各種故障信息及其特征規律，對常用的各種算法進行比較評價，在此基礎上研究動力電纜絕緣參數在線監測的方法，提出用附加低頻信號電源的方法進行動力電纜絕緣參數在線監測的方案，建立動力電纜分布參數數據庫，利用零序功率方向原理實現供電系統接地保護。絕緣在線監測系統能在電網處于工作狀態下對電纜絕緣狀況進行在線監測，不僅能夠監測整個系統的絕緣水平，而且可以監測每一分支電纜的絕緣狀況，大大提高電網安全運行水平，取代預防性檢修，將由絕緣薄弱引發的故障現象消滅在萌芽狀態，具有重大意義。

參考文獻：

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3. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6版；

4. 安科瑞IT系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統（中英文）2020.01版