（电力系统及其自动化专业论文）矿井低压电缆绝缘参数在线检测的研究.pdf

s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e ：r e s e a r c ho nt h eo n - l i n em o n i t o r i n go fi n s u l a t i o np a r a m e t e r o fm i n el o w v o l t a g ec a b l e s ：p o w e rs y s t e m a u t o m a t i o n ：l ud i a n i n s t r u c t o r ：f uz h o ux i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u ) 坐坠 ( s i g n a t u r e ) am e t h o do fn o n g r o u l l d e dn e u t r a lp o i n ti s 丽d e l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e mo fm i n e w e c a nq u i c k l yf i n do u tt h ef a u l t yl i n ev i at h eo n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n di t s i m p o r t a n tt oi m p r o v et h es e c u r i t yo fp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ss u p p l y b ya n a l y z i n gt h eb e h a v i o r o fm i n e sp o w e rs y s t e m ，an e wm e t h o db a s e do na d d i t i o n a ll o w f r e q u e n c ys i g n a l i s p r e s e n t e d al o wf r e q u e n c ys i g n a l i s i n j e c t e d i n t ol o wv o l t a g e u n d e r g r o u n dp o w e rs y s t e m b ym e a s u r i n gl o w - f r e q u e n c yv o l t a g ea n dl o w - f r e q u e n c yc u r r e n t ， i n s u l a t i o np a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e d a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a t ，t h i sm e t h o dc a n n o to n l ym e a s u r ec a b l e si n s u l a t i o np a r a m e t e r s ，b u ta l s oc a r r yo u tf a u l t yl o c a t i o no ft h e i n s u l a t i o nb r a n c h b ym a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n a l y s i s r e s u l ta n dt h em e t h o do f m e a s u r i n gi n s u l a t i o np a r a m e t e r sa r es i m u l a t e d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a t ，m o d e l i n g a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sa r ec o r r e c t ，t h em e t h o do fa d d i t i o n a ll o wf r e q u e n c yp o w e r m e a s u r i n gi n s u l a t i o np a r a m e t e r sc a ne x a c t l ym e a s u r ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c et o g r o u n d ，t h em e a s u r i n ga c c u r a c yi sg o o d ，i tc a nc a r r yo u tn o to n l yo n - l i n em o n i t o r i n g ，b u ta l s o s e l e c t i v e l e a k a g ep r o t e c t i o no fu n d e r g r o u n de l e c t r i cn e t w o r k ，t h ev a l u eo fd i s t r i b u t e d c a p a c i t o rh a se f f e c to nm e a s u r i n gp r e c i s i o n ，t h es e l e c t i o no fs i g n a lf r e q u e n c yh a sd i r e c te f f e c t o nm e a s u r i n gp r e c i s i o n i nt h ee n d ，t h ed e t e c t i o nu n i tw i t hc 8 0 51f 0 2 0a si t sc o r ea n da d o p t i n gm e a s u r i n g m e t h o db a s i n go na d d i t i o n a ll o wf r e q u e n c ys i g n a l ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n s e a c hm o d e l sh a r d w a r ec i r c u i ta n dp r i n c i p l ea n a l y s i so ft h e s ec i r c u i ti sg i v e n ，a n ds y s t e m s o f t w a r ef l o ws h e e ti sa l s og i v e n 。l o wf r e q u e n c ys i g n a ls o u r c ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sa c c u r a t e ，a n di tc a n a p p l yt om a n ya r e a s i th a sg o o dp r o s p e c t sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：i n s u l a t i o np a r a m e t e r a d d i t i o n a ll o wf r e q u e n c ys i g n a l o n l i n em o n i t o r i n g s i m u l a t i o nc i r c u i td e s i g n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻种技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：伤屯日期：知哆，银哆 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：踢钐指导撕签名：1 榔 砷年华角多e t 1 绪论 1 1 课题的背景及研究意义 1 绪论 1 1 1 课题的背景 在煤矿系统中，大部分供电线路为电缆供叫1 1 。井下空间狭小、环境恶劣、阴暗潮 湿，电缆在运行过程中，因机械损伤、操作过电压和水分的逐渐渗入，在电场长期作用 下内部会出现局部放电的现象，引起老化和绝缘电阻下降。电缆绝缘电阻的下降会导致 漏电流，不但可能导致人身触电，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路。对于绝 缘水平比较薄弱的煤矿井下电网，如不及时断开故障馈线，会引起系统的连锁反应，严 重时会引发电弧造成瓦斯和煤尘爆炸。据统计，在供电事故中，电缆事故占7 0 左右， 故预防及减少电缆事故至关重要【1 2 1 。为确保矿井安全，减少因单相接地引起的瓦斯、煤 尘爆炸的危险性。煤矿安全规程规定：“井下低压馈电线上，应装设带有漏电闭锁的 检漏保护装置或有选择性的检漏保护装置。发现检漏装置有故障或网路绝缘降低时，应 立即停电处理，修复后方可送电 。 1 1 2 研究意义 自从在井下引用漏电保护装置以来，漏电保护技术发展迅速，设备不断更新。无论 采用何种原理，井下的绝缘参数检测是漏电保护装置的薄弱环节之一，它关系到漏电保 护装置的可靠性及相关功能的强弱。而且绝缘参数也是影响电网人身触电电流、单相接 地电流大小的主要因素，是接地保护、消弧系统调节等设备研究设计的依据，更是涉及 电网安全运行的主要参数，因此必须经常进行测量或监视。 1 2 本课题在国内外的发展及研究现状 随着生产发展和自动化技术的提高，很多场合需要对电缆绝缘参数进行测量与监 控。但对绝缘参数的测量或监视应在电网处于工作状态下进行，否则便不能反映电网的 实际绝缘情况【j j 。 常见的在线检测方法有直流成分法附】、绝缘介质损耗法m 】、局部放电法m 】、接 地线电流法】、附加直流电源法、工频法、附加低频电源法。但以上前四种针对的是 聚氯乙稀、交联聚乙烯等类型的高压电力电缆。而低压配电网电线电缆绝缘优劣的判定 依据主要是绝缘电阻。因此，针对低压配电网电线电缆特点，主要有附加直流电源的方 法、工频法、附加低频电源法等适合于矿井特殊的环境。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 1 附加直流电源法 煤矿井下低压电网一直采用附加直流电源的方法和装置来检测全电网的绝缘电阻 状况。如图1 1 所示，将直流信号经大地、绝缘电阻进入电网，再经三相电抗器s k 、零 序电感线圈l k 构成回路。这样，在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流通，该电 流大小的变化反映了电网对地绝缘电阻的变化。有效地检测和利用该电流，就可以构成 附加直流检测式漏电保护。其电网对地绝缘电阻值通过欧姆表来反映【1 ，2 ，1 咐1 1 。 a b c 图1 1 附加瓦流电源法 附加直流电源法可监视由同一变压器供电的支路电缆对地绝缘电阻的并联值，但不 能检测出对地电容。而且在实践中人们发现，采用附加直流电源来检测电网对地绝缘阻 抗并不能反映电网的真实情况。一方面，它不能反映电网的对地电容，因电容是隔直的； 另一方面，用这种方法所测得的电阻也是不真实的，而且误差比较大。因为电网对地的 绝缘电阻是交流电阻，当采用附加直流电源法测得数据显示低压配电网绝缘水平在安全 范围之内时，并不能完全排除不安全因素的存在。用直流方法来测量，不会得出准确的 结果。 1 2 2 工频法 工频法利用在三相电抗器组成的中性点处加入与电网电压频率一致的低压交流电 压，即如图1 2 所示将此电压加在电缆上原已施加的交流相电压上，通过测交流电压弧 和交流电流i s ，实现电缆对地绝缘电阻和对地电容的测量【2 2 , 2 3 】。 2 1 绪论 a b c 图1 2 工频法 此法不用附加电源，即可求得绝缘参数，方法较简单，但误差较严重。井下电网的 电压及负荷不可能做到绝对对称，电网不平衡时，在电抗器中性点就会产生零序电压。 该零序电压必定在电流取样元件上产生零序电流分量，造成测量误差。电网波动时也产 生误差。 1 2 3 附加低频电源法 如图1 3 所示，在三相交流电网中叠加一低频信号，经三相电抗器s k 进入电网， 再由电网的对地阻抗入地，与限流电阻r 构成低频电流回路。此回路低频电流大小和相 位移随电网对地阻抗的不同而变化，利用三相电抗器各支路上的电流互感器测得各路低 频电流，利用附加的低频电压与该电流，便可求出各支路的绝缘阻抗值【1 , 2 , 2 4 , 2 5 1 。 图1 3 附加低频电源法 3 a b c 西安科技大学硕士学位论文 采用附加低频电源法在线检测的交流阻抗要比采用附加直流电源法测得的直流绝 缘电阻更加接近实际情况。同时，附加低频电源法可以将绝缘漏电流中的容性成分和阻 性成分分离开来，充分再现绝缘实际状况。 综上几种方法，可见采用附加低频电源法，不仅能测出绝缘电阻、对地电容，而且 受干扰相对较小、误差小，本课题采用附加低频电源法来实现对绝缘参数的测量。 本课题将采用低频交流信号源作为测试信号，可以对干线和支路进行巡检，实现网 络绝缘检测。这样可以及时处理隐患，合理安排生产，就能有效地避免电弧或电火花以 及过电压的发生，避免了放炮、燃烧、火灾等许多事故的发生，减少了事故造成的经济 损失，提高了供电可靠性。并且装置可将现场数据送往地面主站计算机，实现绝缘阻抗 的远距离监视。若和选择性漏电保护装置配合使用，可使电网成为安全监测供电系统， 进一步提高了电网和人身安全。 1 3 本论文的主要工作 本课题综合考虑目前关于井下低压电网绝缘监测的研究状况，采用附加低频电源的 检测方法，可以连续测量总绝缘阻抗和各支路的绝缘阻抗。该方法不但可以测量出绝缘 电阻，而且也可以测出电网对地分布电容，这就给漏电保护系统提供了动作电阻更可靠 的整定方式。 本文主要工作包括以下几部分： ( 1 ) 分析了附加低频电源法监测低压电缆绝缘参数原理，并得出利用该法可实现 故障选线的结论。对信号源的技术要求及信号源加入系统方法作了探讨；根据实际情况， 确定了低频信号频率的可选择范围；分析了分布电容、信号频率对该法的影响。讨论检 测装置与主体设备相互影响问题。 ( 2 )基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真技术，采用附加低频电源法实现在线监测 电缆线路绝缘参数。仿真表明该法能准确测量绝缘参数，对地电容、信号频率影响检测 精度。 ( 3 ) 基于c 8 0 51 f 0 2 0 单片机设计单相绝缘监测装置，重点介绍了绝缘装置的软、 硬件实现方式。包括装置的硬件电路整体设计方案、主要模块的搭建及芯片选取、系统 的软件设计及其抗干扰措施，设计并实现了低频信号源。 4 2 附加低频电源法原理分析 2 附加低频电源法原理分析 2 1 概述 对电网的绝缘状态进行在线监测，有利于及时发现故障隐患，快速准确地判断故障 线路，对提高电网的运行安全和供电可靠性具有重大意义。本文针对矿井电网的运行特 点，采用了基于叠加低频电源的绝缘监测新方法，进行了理论分析，证实了其可行性。 2 2 矿井低压电缆绝缘参数在线监测原理 2 2 1 单回路绝缘监测原理分析 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。其原理图如图 2 1 所示，低频电源u 经隔离变压器输出，经三相电抗器s k 进入电网，再由电网的对 地电容、绝缘电阻入地，再经限流电阻r 1 形成低频电流回路。利用三相电抗器上的高 灵敏度电流互感器二次输出相应的电流信号，通过对低频电压、低频电流信号进行处理 与计算，即可求得电缆的绝缘参数，从而实现线路绝缘参数的在线监侧。当绝缘参数对 称时，三相电抗器感性电流对电缆绝缘参数无影响；当发生接地故障时，三相电抗器的 感性电流会对漏电流的容性分量进行补偿。 图2 1 附加低频电源法检测原理图 5 c b a 西安科技大学硕士学位论文 其中a 相绝缘参数检测等效电路图如图2 2 所示： x s k a 则有 _ u = i ( j x , + r l + + j a t x + i x 2 + 尼+ _ r 二) 二+ i 托a 对低频信号而言，隔离变压器阻抗x 卜限流电阻r l 、三相电抗器x s k 、 x 2 、接地电阻r j 等引入的阻抗值与绝缘电阻r a 相比，可以忽略不计。则： 汹再1 ) 儿。 整理得 ( 2 1 ) 线路阻抗 ( 2 2 ) 比：孚c o s 臼( 1 + t a n 2 秒) ( 2 3 ) 厶 ca：一u_sino(1+tan2o ) ( 2 4 ) = ：一 二r a国儿 其中u 为低频电压幅值；厶为低频电流幅值；口为低频电压与低频电流的夹角；c o 为角 频率。 同理 尺曰：竽c 。s 秒( 1 + t a n 2 秒) ( 2 5 ) _ f 占 c ：一u s i n 0 ( 1 + t a n 2o)b ( 2 6 ) 乙 = 一_ = 一 二u 6 2 附加低频电源法原理分析 r c ：u ，c 。s p ( 1 + t a n 2p ) ( 2 7 ) cf：一u_sin0(1+tan2 t g ) ( 2 8 ) 乙f = ：一 l 么6j l c缈r c 。 当发生a 相接地故障时，等效电路如图2 3 所示。此时隔离变压器阻抗x 1 、三相电 抗器x s k 、线路阻抗x 2 等其阻性部分和限流电阻r l 、接地电阻r j 不能再忽略，一般它 们的值是不变的，可等效为r ，故障电阻为r g ，则 r g - _ u r z ( 2 9 ) x 图2 3 a 相故障等效电路图 同理当b 相或c 相发生接地故障时，故障电阻值也可用式( 2 9 ) 计算。只将公式中的 i a 换成i b 、i c 就可以了。 2 2 2 多回路绝缘检测原理分析 多回路的绝缘检测及故障支路定位如图2 4 所示( 设供电系统带三条回路l 1 、l 2 、 l 3 ) 。低频电源经隔离变压器输出，经限流电阻r 2 ，再经三相电抗器s k 进入电网，再 由电网的对地电容、绝缘电阻入地，与接地电阻构成低频电流回路。通过在每回路三条 支线上设置电流互感器，对输出电流和低频电压进行处理，可实现各回路每相绝缘参数 在线监测，同时又可实现各个回路的自然选线功能。 7 西安科技大学硕士学位论文 l h ic ： l h i b ： 1 n h c 牛融c r 沿 r 1 上 r 、 l h 2 c ： l h 2 b ： u 1 l h 2 ： r 2 ak 2 jr 2 b，c 2 b lr 2 c c 2 c ； 、二= 芊j手t亍一 j l h 3 cx l h 3 b ： l h 3 a ” r 3 8 丰c 牛r 3 享c 午r 3 荨c 翌 j r m s k r 1 r ， r 1 、r j 门 图2 4 多支路绝缘检测原理图 当a 相绝缘良好时，电阻值很大。三相电抗器、线路阻抗、限流电阻、接地电阻相 对a 相电阻值来说很小，可忽略不计，则a 相绝缘检测等效电路图如图2 5 所示，则有： 旦： ! ( 2 1 0 ) 一_ 一 、 a l 了1 + j c a i l 舢 式( 2 1 0 ) 即司等效为以f 两式： u 尺月， ic o s 锣2 1 + ( 0 2 r a i 2 c a i 2厶f u ( 0 1 也i 2 c a ， 厶，1 + c 0 2 兄耵2 c a s i nf 2 = _ _ 了 由式( 2 1 1 ) 与式( 2 1 2 ) 联立可得 g a i 竽c 础( 1 + t a n 2 臼) c a ：u s i n 0 ( 1 + ：t a n 2 o 一) i l群a l 其中u 为低频电压值；为角频率；臼为相位角； 8 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 厶i 为a 相第i 支路低频电流值； 2 附加低频电源法原理分析 其中u 为低频电压值；为角频率；0 为相位角：a i 为a 相第i 支路低频电流值； 如i 为a 相第i 支路绝缘电阻值；c a i 为a 相第f 支路电容值； 同理可得： 如= 等c o s b ( 1 + t a n 2 目) ( 2 1 5 ) c8,：一u_sin0(1+tan2 0 ) ( 2 1 6 ) = 一：一 kz h ll r 尺。：竽c o s 口( 1 + t a n 2 乡) ( 2 1 7 ) c o ：_ u s i n 0 ( 1 + f t a n 20 ) ( 2 1 8 ) = 一= 一 kz 1 c ic a r 2 0 图2 5a 相多匝i 路附加低频电源法等效电路图 可见如果先由微机计算出各回路各相低频电流信号值，再根据各相绝缘参数公式， 考虑互感器的变化关系，则各回路每相的绝缘参数即可很方便地算出。当线路绝缘电阻 降低到装置设定值时，报警电路发出报警信号，提醒工作人员进行处理，从而实现预防 性检修，将各种故障消除在萌芽状态。 当某一出线发生接地或漏电故障时，分析图2 5 可知，故障回路故障相的低频电流 会突然增大，检测到的电阻值很小，而非故障相阻值基本不变，通过比较绝缘电阻值能 准确判断出故障线路。因此，采用这种方法除可实现全电网各分支出线的在线绝缘监测 外，还可实现有选择性的漏电保护，即实现故障选线功能。 该测量方法的选择性，并不是根据零序电流的大小和方向来判别故障支路，而是在 单片机的控制下对各个支路进行测量，并比较测量结果而动作。这种选择方式，简便易 行，无论是电网单相对地绝缘下降还是三相对地绝缘均匀下降，都能可靠检测。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 2 3 分布电容及低频信号频率对检测精度的影响 叠加的低频信号主要分成了2 个部分：一部分通过绝缘电阻流入大地，另一部分通 过对地电容流入大地，即糸= 啪，尼= j 国c u 。当分布电容越大或是加入频率越大时，容 性电流越大，从工程角度来讲，分离阻性电流时误差就比较大，检测精度会下降。因此 在电网分布电容一定时，可通过减小低频信号频率来增强检测效果。 2 3 信号的加入方式 系统发生单相接地故障时，系统中性点电压高达相电压，考虑绝缘和安全问题，不 能将附加信号源直接接入一次系统中。只能将低频信号耦合到一次系统。 矿井低压电网采用中性点不接地方式，电压等级比较低，可通过人为设置中性点加 入低频信号，本设计采用常用于漏电保护装置的三相电抗器。 2 4 低频信号的算法 对于在线绝缘监视来说，对实时性要求不是很高，所以一般都有足够的处理时间， 这样就可以选取较为精确的算法，从而获得较高的计算精度，并降低对信号源强度的要 求。当频率为厂的信号源加入后，通过电流互感器检测到的电流信号包含有工频和低频 信号，为了求得加入低频信号源单独作用时的电流响应，将电流传感器检测到的电流信 号经选频网络后，只剩下低频信号，这时采用傅里叶算法计算出低频信号。采用这种算 法可以减少外围测量相位角的电路，使检测装置更简单。因此，本设计采用傅立叶算法 来获取低频信号有效值及其相位差。 2 5 低频信号源 不管哪种方式将信号耦合到故障一次系统，利用加入信号进行绝缘检测和故障定 位，都不应影响系统的正常运行，也不能影响信号耦合设备的正常运行。因此，叠加信 号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的信号。为便于检测，信号源的 频率必须与电力系统的固有频率完全不同。 2 5 1 信号源功率 加入的低频信号源应以调节方便、功耗小的原则为准。因井下电缆绝缘正常时，绝 缘电阻阻值在几十千欧至几百千欧之间【1 ，2 1 ，因此信号源功率不需很大，几瓦就可满足。 为了防止被检测的绝缘电阻过小而导致电源输出电流过大现象，在电源输出端串联一电 阻，作为电源内阻，以限制输出电流。 信号源可考虑恒压源或恒流源两种。根据定义，恒压源相当于内阻极小，输出电压 1 0 2 附加低频电源法原理分析 固定的电源；而恒流源则相当于输出电流恒定，内阻无穷大的电源。矿井电网发生故障 时，出于人身安全考虑，电流与触电时间乘积不应大于3 0 m a s 。本设计采用单片机产 生恒压信号源，可减少外围电路。 2 5 2 低频信号的频率 电力系统运行中，谐波的存在是不可避免的，而且强度也可能比加入的低频信号大。 为避免谐波电流产生磁场的干扰，加入信号的频率的选择必须有利于避免工频及其各次 谐波的干扰。理论上加入信号频率可有以下几种。 ( 1 ) 信号的频率介于工频i r l 与刀+ 1 ( 刀为自然数) 次谐波之间1 3 0 】 n f t 知 o 2 为阻性电流和容性电流的可比条件，即当加入频率使该条件满足 时，能保证工程上测量精度的需要【3 1 】。于是，当支路对地电容小于等于1 1 1 t f 时，加入 频率应小于6 0 h z 。同时考虑原则和时，令频率的高限和低限分别定为6 0 h z 和5 h z 。 2 5 3 低频幅值的确定 对供电电缆绝缘状态进行检测，一旦发现漏电或单相接地故障，则检测回路产生的 电火花能量不允许引爆瓦斯和煤尘。同时还考虑到负荷侧还未送电时，工人可能对电气 设备进行维修，如果检测电压过高，一旦人身接触，便可能发生触电危险。另外，有关 安全电压的规定对现场实际有特别的意义，安全电流与人体电阻的乘积就称为安全电 压。在我国，在有高度危险的条件下( 如潮湿的场所) 安全电压采用3 6 v ；在特别危机 的条件下( 如潮湿酸性场所) ，安全电压采用1 2 v 。因此，检测电压不宜过高【l j 。系统设 计时，将低频检测电压选为2 0 v 。 2 6 检测装置和设备的相互影响 在线检测必须要能保证检测装置不能影响主体设备的正常工作，主体设备的工作不 应对检测装置和检测结果产生影响。 ( 1 ) 检测装置对主体设备的影响 检测装置的供电和采样均有隔离电路，以保证主体设备和检测装置的隔离。讨论对 主体设备影响时，检测系统可等效为2 0 v 低频电源和限流电阻足i 串联( 限流电阻约为 1 k q ) 。设备正常情况下，主体设备对地浮空，检测不能构成回路。此时，仅有极微小的 漏电流经绝缘电阻和串联电阻流过设备和检测系统。对设备而言，原对地浮空变为对地 有2 0 v 的低频电压，但设备的工作不会受到影响。当设备绝缘损坏时，即可等效为一电 阻与绝缘参数并联。不妨设想成最坏情形，即设备绝缘电阻为0 。则检测时，相当于一 个有源回路( 2 0 v 低频交流电源加r l 电阻) 加在设备上。此有源回路的内阻为1 k q 。 由于被测电缆为6 6 0 v ( 假设矿井电压等级) 的强电回路，其电缆电压由电源直接控制， 电源输出电流能力均在数安和几十安培以上( 即电源内阻很小) 。检测时，检测回路和 原设备回路同时控制负载。由于电缆的低内阻性质和检测回路的相对高阻隔离性质，负 1 2 2 附加低频电源法原理分析 _ 5 - 载电流主要由原设备回路提供，检测回路对负载工作基本无影响。 ( 2 ) 主体设备对检测的影响 主体设备对检测系统的影响表现在两个方面，即对采样电路和低频信号源的影响。 采样信号可通过电流互感器传至采样电路，以克服过电压对采样及处理电路的损害，用 滤波电路消除对测试精度的影响。我们知道，当电网对地阻抗不对称时，变压器中性点 对地便会出现电位差，即零序电压，最高可至相电压。该零序电压必然加在三相电抗器 的人为中性点与地之间，如没有很好的滤波电路，就会直接作用到检测回路。为此在低 频信号源后加入5 0 h z 陷波器，使电路正常工作。 2 7 本章小结 通过理论分析，针对煤矿电网实际情况，本章详细分析了附加低频电源法检测低压 电缆绝缘参数的原理，提出用该法对低压电网故障支路定位；分析了对地电容及信号频 率对测量精度；介绍了低频信号源及其加入故障系统的方法；给出了获取加入低频电量 的算法；分析了叠加频率的选择原则，确定了其选择范围；讨论检测装置和设备相互影 响问题。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 3 附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真 3 1 系统模型的建立和实现 本章以m a t l a b 软件为工具，对附加低频电源测量绝缘参数的方法进行仿真验证。 验证该方法的正确性，以及验证采用该法实现故障选线的正确性。 3 1 1 仿真软件的选取 对电力系统的工程仿真而言，数学模型是否真实描述实际情况，将很大程度上影响 仿真能否取得成功。m a t l a b 软件在数值处理和图形处理方面提供了完善的解决方案。 具有编程效率高、程序设计灵活、图形功能强等优点，已发展成为适合多学科、多种工 作平台的功能强劲的大型软件【3 2 】。m a t l a b 提供了图形化的电力系统仿真工具箱 s i m p o w e r s y s t e m ，该工具箱中包括了典型的电力系统装置，如变压器、传输线、发电机 和电力电子装置等。通过对电力系统的电路图绘制，m a t l a b 能自动生成数学模型， 有效的节省了建立电力系统数学模型的时间，而且与之相联系的机械、热力、控制系统 及其它设备规律的分析均包含在其中。选取m a t l a b 软件用于本系统的仿真还有以下 原因： ( 1 ) 电力系统仿真工具箱功能强大。工具箱内部的元件库提供了各种经常使用的 电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程方式创建合适的元件模型。 ( 2 ) 强大的m a t l a b 平台。m a t l a b 的数值运算功能为进行电力工程方面的运 算提供了强有力的后盾。随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应 用尤为重要。m a t l a b 提供的信号处理工具箱、数字信号处理模块、滤波器设计工具 箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱，为经过电力仿真后的数据处理提供了功能齐全 的分析手段。 ( 3 ) 友好的界面。界面的优劣充分体现了软件使用的难易程度。从电力系统仿真 到数值计算、图形处理，再到信号分析，m a t l a b 提供给技术人员和科研人员的不仅 仅是各类问题的解决方案，更重要的是使这些技术的使用变得尤为轻松简单。 ( 4 ) 测量方法中需要检测低频电流和低频有效值和相位。m a t l a b 软件的电力系 统分析元件模型( p o w e r g u i ) 中的稳态电压和电流分析工具( s t e a d y s t a t ev o l t a g e sa n d c u r r e m s ) 可直接观察到需要的物理量的大小和相位。 3 1 2 仿真参数的确定 电缆的电气参数如下： 1 4 3 附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真 型号：u c - 3 x 3 5 动力线芯截面积：s = 3 5 m m 2 ； 动力线芯电阻：r o - - 0 5 6 d k m ； 绝缘电阻：铲7 0k 矾； 导体电抗：蜀= o 6 4 d l k m ( l 0 = 0 2 0 3 8 m h k m ) ； 导体工作取电容：c o = 0 2 l _ t f k m 。 3 1 3 仿真模型的建立 在s i m u l i n k 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3 1 所示，该模型主要包括电源模块、变压器模块、负载模块、电流 表模块、滤波器和示波器模块，以及电容、电阻模块等。 ( 1 ) 电压为6 k v ，变压器选用两绕组三相变压器，变比为6 k v 6 6 0 v 。 ( 2 ) 实际线路的较短，系统的电压等级较低( 6 6 0 v ) ，工作频率也不高，所以线路 采用7 r 型电路。这样可通过改变线路长度参数仿真不同对地电容对检测的影响。 ( 3 ) 对于线路的负荷，负载选用三相串联r l c 负载并且设置负载为感性。 ( 4 ) 低频电源电压设为2 0 v ，频率为1 0 h z 。 低频电源经隔离变压器输出，经限流电阻、三相电抗器s k 进入电网。同时在三 相电抗器上套接高灵敏度电流互感器，然后将采集到的电流信号通过低通滤波器滤波， 最后在示波器上显示所需频率的波形。 c i j 【一 图3 1 附加低频电源法绝缘检测仿真图 1 5 皇童兰兰垄兰堡圭兰竺兰圣 3 2 单回路仿真 3 2 1 各种绝缘下降的仿真 我国低压电网每相的交流绝缘电阻大致在几十千欧至几百千欧之问，对地分布电容 大致在0 1 p , f 至1 0 i , t f 。因此，在以下所有仿真中，绝缘参数的设置以此为依据。 当绝缘参数对称时，设r a = r b = r c = l o o k q ，c a = c b = c c = oi p f ，低频信号波形如图3 2 所示；当绝缘参数不对称时，设r a = 1 1 k n ，r b = r 。- 1 0 0 k , n ，低频信号波形如图33 所示。 横坐标为时阃，单位为s ，纵坐标为电流，单位为a 。 磷疆搿箍糟黝蕊黝辅缫蹦缫辩磷鼎黼端黝瓤鞘麟捌暖豫鼯皤爨黜骚霸冒l j 蛋 创3 2 三相对称时低频电流波形倒3 3 三相不对称时低频电流波形 可见当j 相对称时，仅有低频信号流过绝缘参数：而当三相不对称时，如发生单相 故障，这时流过接地电阻的是低频信号和不平衡时产生的零序电流的叠加值。 改变绝缘参数并进行仿真，根据测得的低频电流值、低频电压值及其相位角，代入 绝缘参数计算公式可得各种绝缘状况下的绝缘参数值，如表3 1 所示。 从表中可看出，采用附加低频电源法能较准确算出备相绝缘参数。不论绝缘参数是 三相对称下降，还是单相、两相下降，该法均能准确测量出绝缘参数，而且误差很小。 当绝缘电阻阻值很大时，误差稍大，这是因为绝缘电阻越高，被测低频信号越小，经传 感器提取信号误差大。 表3 l 各褶绝缘电殂值曲检测 3 附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真 3 2 2 单相接地故障 当发生单相接地故障时，如表3 2 所示，a 相有故障电阻k ，其余b 、c 两相绝缘 良好。叠加信号幅值为2 0 v ，频率为1 0 h z 。只要能准确测量出低频电流信号就可以求 出故障电阻值，而且误差很小。 表3 2 故障电阻的检测 3 2 3 低频信号的频率对绝缘参数检测精度的影响 设定尺a 、凰、r 。分别为1 1 k q 、8 0 0 k q 、8 0 0 k q ，对地电容均为0 3 i ，t f ，当改变低频 信号频率时，检测绝缘参数的精度随频率变化的情况，如表3 3 所示。 表3 3 检测绝缘参数的精度随频率变化的情况 可见当频率增大时，低频电流不断增大，此时主要是容性电流，阻性电流很小，提 取较难，误差随频率增大而增大。 3 2 4 检测绝缘电阻的精度随电容变化的情况 为了获得绝缘电阻测量精度和电容的关系，设定a 相绝缘电阻发生变化，其余两相 绝缘均良好，设定了三种电阻1 0 0 k q 、3 5 l q 、1 0 1 6 ) ，并从0 9 f 至2 1 x f 改变支路对地电 容，通过仿真数据，得到了对地电容对各种绝缘电阻测量精度的影响关系，如图3 4 所 1 7 西安科技大学硕士学位论文 不。 支 路 绝 缘 电 阻 值 k q 支路对地电答值( 唧 图3 4 检测绝缘电阻的精度随电容变化的情况 由图3 4 可见，绝缘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， 误差随着绝缘电阻增大而增加。这是因为绝缘电阻越高，流过的低频电流越小，提取的 误差就大。当频率一定时，对地电容越大，容性电流就越大，而阻性电流基本不变，当 容性电流相比于阻性电流很大时，测量误差就将增大。 3 2 5 绝缘电阻的精度随低频电压、频率变化的情况 设定r 。、凰、尺。分别为ll k q 、9 0 0 k q 、9 0 0 1 m ，g = c b = c c = o 3 1 t f 。改变低频信号幅 值、频率对检测精度的影响。如表3 5 所示。 表3 5 检测a 相绝缘电阻的精度随叠加电压、频率变化的情况 可见测试电压的大小并不影响检测精度，电压的大d , r 是为了能够获取合适的低频 电流值，而频率才是最主要因素，而且测量误差随频率增大而增大。 1 8 ：些耋兰i 型兰丝：燮：兰兰竺主 3 2 6 叠加信号对电网的影响 低频电源产生的幅值相同、相位相同的电压同时叠加到三相负载阻抗上，因此不会 在负载阻抗上产生电流，理论上不对负载产生影响，如图3 5 所示，负载上低频电压近 似为o v 。实际应用中对供电质量要求很高的设备而言则要具体情况具体分析。当绝缘 参数不对称或是负载有救障时低频信号会通过负载，如图3 6 所示，负载上流过低频信 号，因此叠加电压不宜很高。 口铀” 图3 5 三相对称时，负载上测量到的低频信号 工u m s 。 圈3 6 不对称时，负载上测茸割的低频信号 3 2 7 电网对低频信号的影响 回w e f 忙h o 口9 啪s 我们知道，当电网对地阻抗不对称时变压器中性点对地便会出现电位差，即零序电 压。该零序电压必然要加在三相电抗器s k 的人为中性点与地之间。当绝缘参数基本对 称时，零序电压不是很大，如图3 7 所示，不足3 0 v ：但当发生接地故障，甚至发生金 属性故障时，零序电压近乎相电压，如图3 8 所示。图中横坐标为时间，单位为s ，纵 坐标为电压，单位为v 。 笔喜 耋耋耋釜苎耋罂三：竺兰三 图37 绝缘电阻为1 1 k n 时零序电压波形图图3 8 接地电阻为50 t ) 时零序电压波形图 可见如果没有很好的滤波措施，零序电压就会直接作用在信号源上，损坏信号源， 因此应加强滤波，防止交流t 扰。本设计采用工频陷波电路，可消除工频电压影响。 3 3 故障选线 仿真模型如图3 9 所不，参数设置与单回路的相同。模型中共包含3 条回路。对于 附加低频电源的绝缘检测，i f 常情况下仅有极小的信号电流；当低压电缆发生单相接地 故障时信号电流骤增，通过计算比较各支路绝缘电阻阻值实现自然选线。 幽3 9 附加低频电源法测量电缆绝缘参数仿真模型 仿真l 2 回路a 相故障，其他两回路绝缘是好的情况。从表3 6 中数据1 至4 可以 看出，随着故障回路a 相绝缘电阻的降低，a 相低频电流在增大，而其他回路a 相变 化缓慢：通过对绝缘电阻的计算，可确定救障叫路。 3 附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真 表3 6 a 相绝缘电阻下降 3 4 本章小结 本章采用m a t l a b s i m u l k 仿真工具，对分析结果和测量绝缘参数的方法进行 了仿真。由仿真结果看出，采用该方法能准确的测量绝缘参数。无论电缆三相对地绝缘 电阻是否对称，该方法均能测出参数，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。不仅可以实现漏电保护的目的，而且可以有选择性预测、预报绝缘水平 下降的故障支路，为实现状态检修奠定了技术基础。当发生故障时，通过检测绝缘电阻 的大小来实现故障选线。信号的频率和电网的对地电容影响检测的精度，频率和对地电 容越大，检测精度就更差。 2 1 西安科技大学硕士学位论文 4 绝缘检测系统硬件设计 硬件电路是保证整个测控系统正常工作的基础，其性能优劣直接影响到整个检测装 置工作的可靠性、安全性和连续性。硬件电路的设计过程中，始终以实用化为最终目标， 其原则为：( 1 ) 努力提高检测装置检测信号的准确性和可靠性；( 2 ) 从用户的角度出发， 方便安装、调试、运行、维护；( 3 ) 在满足性能要求的前提下，尽量简化硬件系统，降 低测控系统的总体成本。而本设计单相绝缘参数的检测装置也遵从这些原则。 4 1 检测系统硬件的总体设计 基于对矿井电网绝缘监测原理的分析，本章根据监测的功能要求对检测系统的硬件 电路进行了总体设计，其原理框图如图4 1 所示。 图4 1 低压电缆在线绝缘监测框图 微机绝缘监测装置的硬件系统由以下几部分构成： ( 1 ) 数据采集部分 包括低频电流、低频电压等采集量的转换、模拟滤波通道、采样保持。实现将外部 采集的模拟量转换为适合微机处理的信号量。 ( 2 ) 微机系统 包括中央处理单元及其外围扩展单元，用于实现数据计算、逻辑判断、定时、存储 等功能。 ( 3 ) 人机交互接口单元 用于低频信号投入电网的控制，绝缘参数的显示等。 ( 4 ) 信号发生电路 包括信号的产生、信号滤波及其功率放大。 ( 5 ) 电源部分 本装置需要+ 5 v 、+ 1 2 v 、1 2 v 及+ 3 v 的直流电源。本设计直接购买市场上成熟的 开关电源。 4 绝缘检测系统硬件设计 整个监测过程为采集后的低频信号经过滤波、放大，通过a d 转换器把被测的模拟 信号转换为数字信号，由单片机系统对该数字信号进行分析和处理。处理后的数值和设 定值进行比较，若小于设定值，报警电路就进行报警，并由液晶显示绝缘参数值。下面 对各个电路模块进行介绍。 4 2 中央处理单元的选择 数据采集系统对各电气的准确计算是整个监测系统实现准确测量、可靠