摘要：我國煤礦井下低壓電網(wǎng)采用變壓器中性點(diǎn)絕緣的運(yùn)行方式，電力的傳輸主要靠電纜。由于供電環(huán)境惡劣，電纜線路經(jīng)常發(fā)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(dǎo)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(shù)的在線監(jiān)測技術(shù)，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(shù)在線監(jiān)測原理
　　
　　煤礦井下長期以來采用基于零序電壓的絕緣監(jiān)測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，不能在單相接地故障發(fā)生前對電網(wǎng)的絕緣水平做出準(zhǔn)確的預(yù)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(shù)在線監(jiān)測方法。采用該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對每一分支電纜對地絕緣參數(shù)的在線監(jiān)測，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)中附加一個低頻電源信號。低頻電源經(jīng)三相電抗器進(jìn)入電網(wǎng)，再由電網(wǎng)的對地電容、絕緣電阻入地，構(gòu)成低頻電流回路，通過對各低頻電流信號進(jìn)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(shí)現(xiàn)在線監(jiān)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(wǎng)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(shù)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(dāng)電網(wǎng)絕緣參數(shù)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(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0．4kV，頻率50Hz。低頻電源信號設(shè)為電壓幅值為20V，頻率為10Hz，采用π型等值電路。線路的正序參數(shù)每千米為：R1=O.20Ω，L1=O.40mH，C1=0.1μF。零序參數(shù)每千米為：R0=O.23Ω，L0=1.72mH，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到的1OHz的低頻電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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，進(jìn)行仿真，根據(jù)測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(fā)生前對電網(wǎng)的絕緣水平做出準(zhǔn)確的預(yù)測，而且可以有選擇性預(yù)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(diǎn)接地方式無關(guān)，使得這種絕緣監(jiān)測方式，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)測方法的局限性，并且在故障時可以實(shí)現(xiàn)故障選線。
　　
　　通過仿真及其統(tǒng)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(guān)系，設(shè)定了兩種故障支路接地電阻100kΩ，1OkΩ，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(shí)測，得到了對地電容對各種接地電阻測量精度的影響關(guān)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(wǎng)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zui大非故障支路漏電流。接地電阻為1kΩ，低頻電壓幅值為20V，頻率為10Hz。　　
　　當(dāng)電纜對地分部電容發(fā)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(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，改變了測試電源頻率，當(dāng)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?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)對地電容對檢測精度的影響，同時，低于50Hz工頻的注入頻率不會與電網(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10Hz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50Hz工頻負(fù)載信號及其他高次諧波的影響。
　　
　　4、測量誤差分析
　　
　　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，從而可能對計算結(jié)果帶來不利影響。根據(jù)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(guān)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(dāng)電壓幅值誤差增加或減少時，Ri值的計算結(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，Ri值的計算結(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)計和選型的參考。
　　
　　5、結(jié)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(wǎng)進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測是*可行的，通過它可時時觀察電網(wǎng)的絕緣水平，具有良好的工程應(yīng)用前景。