煤礦高壓電纜絕緣在線監測研究

王永升，　李曉娜，　趙國棟，　彭啟軒，　梁睿

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008； 2.江蘇省電力公司 揚州檢修分公司，江蘇 揚州　225000； 3.江蘇省電力公司 徐州供電公司， 江蘇 徐州　221005)

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煤礦高壓電纜絕緣在線監測研究

王永升1，李曉娜1，趙國棟2，彭啟軒3，梁睿1

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008； 2.江蘇省電力公司 揚州檢修分公司，江蘇 揚州225000； 3.江蘇省電力公司 徐州供電公司， 江蘇 徐州221005)

分析了煤礦高壓電纜出現水樹枝老化、電樹枝老化和整體均勻劣化下的電氣特性，采用小波消噪技術和基于正交分解的信號分離技術進行接地線電流噪聲處理，通過接地線電流的變化趨勢和設定閾值來判斷電纜是否發生絕緣劣化。Matlab仿真結果表明，研究各條線路的絕緣參數變化與相應接地線電流不同分量的關系，可實現對煤礦高壓電纜絕緣在線監測特征信號的提取。

煤礦高壓電纜； 電纜絕緣； 接地線電流； 在線監測； 小波消噪

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1032.015.html

0　引言

煤礦井下環境惡劣，電纜絕緣層極易出現水樹枝、電樹枝等問題，導致電纜老化加速，絕緣水平降低，從而易發生各種接地故障，甚至出現間歇性電弧。當井下瓦斯濃度達到一定程度時，電弧的出現可能導致瓦斯爆炸，對礦井安全生產運行造成嚴重威脅[1]。因此，研究煤礦電力電纜的絕緣劣化[2-3]、對劣化過程進行在線監測具有重大意義。目前，應用前景廣闊的電纜絕緣在線監測方法主要包括直流疊加法、直流分量法、介質損耗因數法、低頻注入法、諧波分量法[4]等。本文提出一種基于接地線電流去

噪處理的煤礦高壓電纜絕緣在線監測方法。該方法根據煤礦10 kV配電網中電纜發生絕緣劣化時不同時期的參數變化特征，采用小波消噪和正交分解技術實現接地線電流噪聲處理，從而準確識別電纜劣化情況。

1　電纜絕緣水平與接地線電流的關系

[5]對絕緣劣化造成的絕緣電阻和分布電容的變化規律進行了實驗驗證，得到了以下結論：電纜絕緣劣化早期，分布電容呈現波動變化且逐漸增加；絕緣等效電阻在絕緣劣化的中后期逐漸減小。分析電纜的結構能夠看出，絕緣等效電阻和分布電容的變化會引起電纜線芯與金屬屏蔽層之間絕緣物質XLPE的變化，從而使接地線電流發生變化。絕緣物質劣化過程中，不同的參數變化規律引起的接地線電流波形變化不同，據此可以進行劣化類型的識別。圖1給出了絕緣參數變化與電纜劣化不同時期對應的變化關系。

圖1　絕緣參數變化與電纜劣化不同時期對應的變化關系

XLPE電纜導體線芯和金屬屏蔽層間的絕緣能夠等效成無數個絕緣電阻與分布電容并聯組成的參數網絡，該參數網絡的阻抗大于等于100 MΩ[6]。因此，可以把電纜的絕緣狀態等效成電阻、電容并聯的參數模型。在煤礦配電網的拓撲結構中，屏蔽層廣泛采用一端直接接地方式，因此，本文重點研究該種運行方式下的電力電纜絕緣在線監測技術。

從理論分析來看，XLPE電纜金屬保護層的接地線電流Ij包含電容電流Ic、磁感應環流Ii及泄漏電流Ir，在電纜絕緣狀態正常的時候，泄漏電流Ir非常小，在工程計算過程中常常忽略。針對電纜金屬保護層單端接地的情況，磁感應環流Ii約等于零，則接地線電流為

(1)

式中:ω為系統角頻率；l為電纜長度；C0為單位長度電纜的電容量；U為電纜線芯的對地電壓；e0為真空介電常數；e為電纜主絕緣的相對介電常數；D1，D2分別為電纜絕緣層的外徑和線芯直徑。

從式(1)能夠看到，接地線電流的大小正比于電纜的對地分布電容。若電纜產生局部絕緣缺陷或者整體均勻劣化，會使得絕緣內部的空間電荷量以及極性基團量有所增加，并且加強了松弛極化。絕緣介電常數的極化率ε增大，等效為電纜絕緣的對地電容增大，相對應的電纜單端的接地線電流也加大,所以對于單端接地的電纜而言，可以利用接地線電流變化曲線來判斷是否發生絕緣劣化。

在電纜金屬保護層兩端接地及交叉互聯結構中，接地線電流Ij是電容電流Ic和磁感應環流Ii的矢量和，Ij的大小介于Ii,Ic的代數差與和之間。電纜交叉互聯結構中的接地線電流計算特別繁瑣，而電纜金屬保護層采用單端接地方式時，一般是Ii遠大于Ic，采用近似計算可得

(2)

(3)

式中：EA為A相電纜線芯上流過的電流在A相電纜金屬保護層上引起的感應電動勢；R1為感應電流回路中除掉電纜金屬保護層后的等值電阻，包括了接地線電阻、電纜兩端接地引下線之間的接觸電阻及有關的導通電阻等；X為電纜金屬保護層的自感抗；ρ為電纜金屬層材料的電阻率；S為電纜金屬層的截面積；α為材料的溫度系數；θ為電纜線芯導體的工作溫度；η為電纜金屬保護層的溫度相對于導體溫度的比率，其值與絕緣熱阻有關。

2　典型絕緣劣化類型的電氣特征分析

2.1水樹枝引起的絕緣劣化

自從學者發現電纜絕緣劣化和水樹枝增長的正比例關系后，目前已經普遍認為水樹枝的出現是電纜絕緣開始劣化的標志[7]。由于水樹枝的尖部會有高強度電場產生，導致水樹枝在電纜絕緣層中不斷擴展，并且漸漸演變為電樹枝，出現大面積的貫穿，然后絕緣層的電樹枝引發絕緣擊穿，即間歇性高阻接地故障。整個劣化至擊穿過程呈現隨機性變化。

在電纜的水樹枝發展過程中，絕緣電阻的變化是非線性的，同時水樹枝的產生會引起絕緣電阻的下降和等效電容的增加。但是對于接地線電流，在此過程中絕緣電阻降低引起的變化很不明顯，接地線電流增加主要是由于分布電容變化引起的，故通過模擬分布電容的非線性變化來等效電纜的水樹枝發展趨勢。圖2為控制可變容抗XC隨時間的變化曲線，圖3為線路發生水樹枝老化時的接地線電流波形。

圖2　控制可變容抗隨時間的變化曲線

圖3　線路發生水樹枝劣化時的接地線電流波形

2.2電樹枝引起的絕緣劣化

當由水樹枝或者局部放電發展成電樹枝后，電纜的絕緣參數仍然是非線性變化。電樹枝劣化后，電纜絕緣可等效為對地導納參數網絡,數值非線性增加。由于電纜出現電樹枝屬于絕緣劣化的后期，對于等效參數模型而言，絕緣電阻的非線性下降占主導因素，絕緣電阻對應的導納增加趨勢加快[8-9]。圖4為控制絕緣電阻隨時間的變化曲線，圖5為對應的線路發生電樹枝劣化的接地線電流波形。

圖4　控制絕緣電阻隨時間的變化曲線

2.3整體電纜均勻劣化

從電路參數模型的角度分析，電纜絕緣等效為絕緣電阻和分布電容同時線性或者非線性變化，本文綜合考慮水樹枝和電樹枝的情況，模擬對地等效參數的線性變化，得到相應的接地線電流變化，通過Matlab/Simulink搭建實際配電網的拓撲結構和負荷分配，依次對各條支路的均勻劣化進行仿真實驗，

圖5　線路發生電樹枝劣化時的接地線電流波形

建立關于不同支路編號的接地線電流樣本數據庫，進行實際電纜絕緣劣化與樣本組的相關度分析。某種均勻劣化類型的接地線電流變化趨勢如圖6所示。

圖6　某種均勻劣化類型的接地線電流變化趨勢

3　信號消噪處理算法

通過電壓互感器(TV)、電流互感器(TA)測得本文所需要的特征信號，再通過調理電路轉換成適合AD轉換的電壓信號，利用AD轉換器將現場的模擬信號轉換成數字信號[10-11]。上述處理環節中均可能有噪聲產生，為了使仿真較精確地逼近現場試驗，需要給出待仿真信號的噪聲分量，本文將不同標準差的高斯白噪聲作為噪聲分量，對加入噪聲分量后的仿真信號實施小波消噪處理。參考文獻[12-13]把基于小波變換的去噪技術應用到對電力系統交流采樣信號的處理中，參考文獻[14]把多小波消噪技術應用到電力系統的局部放電處理中，取得了很好的效果。小波分析的窗口大小固定且窗口形狀可變，是一種時間窗和頻率窗均能變化的時頻域局部化的分析方法。信號的自適應性主要體現在：在信號的低頻范圍內呈現低時間分辨率和高頻率分辨率的特征；在信號的高頻范圍內呈現高時間分辨率和低頻率分辨的特征。

影響信號消噪效果的重要一步是閾值量化[15]。在針對閾值的處理方法中，小波變換能夠實現針對50 Hz頻率的平穩信號的噪聲消除，因此，采用強制消噪的方法對閾值進行量化，將小波分解后的高頻系數直接歸零，達到濾除信號中所有高頻部分的目的，然后再實施重構處理。

將標準正弦交流信號f(i)疊加高斯白噪聲(標準差為0.25)后，對其實施采樣，要求的采樣點為1 000，采樣頻率為70 kS/s。原始信號以及疊加白噪聲后的信號波形如圖7所示。

(a) 原始信號

(b) 疊加白噪聲后的信號

在標準仿真信號中疊加標準差為0.25的高斯白噪聲后，用強制消噪的算法進行處理，對處理后的信號進行1—6層小波分解。結合去噪后的3個效果指標：賦范誤差、平均誤差以及均方誤差，相應的誤差見表1。

表1　在不同分解層數中對應的去噪效果

分析表1可知，5層分解時去噪效果最佳，分解層數繼續增加后，波形出現了畸變。所以，本文選用5層小波分解。依次對信號使用強制消噪、默認閾值消噪法進行處理，得到的仿真結果如圖8、圖9所示。

4　仿真驗證

通過搭建基于Matlab的配電網拓撲結構，在發生局部絕緣缺陷的情況下，令劣化位置處的絕緣等效電阻R和分布等效電容C均保持不變，得到不同電壓等級下對應的R-I關系和C-I關系，如圖10和圖11所示。

圖8　強制消噪后的效果

圖9　默認閾值消噪后的效果

圖10　不同電壓等級下對應的R-I關系

圖11　不同電壓等級下對應的C　-I關系

分析圖10和圖11可看出，系統的電壓等級越高，局部缺陷產生的接地線電流越大，即高壓系統的接地線電流變化曲線要比低壓系統的上移。在分別保持絕緣電阻和分布電容不變的情況下，圖10和圖11中各電壓等級對應的接地線電流Cf-I、Rf-I變化趨勢基本相同。因此，應結合煤礦高壓配電網結構的獨特性，實時采集各條電纜線路接地線電流變化情況，通過接地線電流的增加趨勢和設定閾值來判斷是否發生絕緣劣化。

為了進一步驗證本文方法的可靠性，考慮空載與負載情況下的絕緣水平與接地線電流的對應關系，同時給出了在負載不對稱度發生變化的情況下，相應接地線電流的變化情況，如圖12、圖13所示。

圖12　絕緣電阻不變，空載和負載情況下

圖13　分布電容不變，空載和負載情況下

不管是系統空載還是帶有負載，當局部缺陷處的絕緣電阻保持不變時，分布等效電容C0和接地線電流I之間的關系具有規律性，即隨著Cf的增大，接地線電流的變化具有比較明顯的過渡時期，在這樣的過渡時期，分布電容的增加幾乎不會引起接地線電流的變化；但是隨著分布電容Cf的大幅度增加，接地線電流也迅速增加。在空載與負載2種情況下，等效電容電流的變化曲線C0-I和等效電阻電流的變化曲線R0-I都有很大不同，并且空載情況下對應的電容、電阻曲線比負載時的曲線明顯上移。因此，空載情況對應的接地線電流比負載情況下的接地線電流更能夠靈敏地反映電纜的局部絕緣故障。這主要是由于系統所帶負載中的感性分量與反映電纜絕緣的容性分量發生了抵消。

5　結語

分析了煤礦井下10 kV電纜接地線電流在電纜絕緣狀態在線監測方面的特征變化關系，然后分析了電纜在出現水樹枝劣化、電樹枝劣化和整體均勻劣化下的電氣特性，在給出各個劣化類型相應的等效參數變化規律的基礎上，搭建了相應的Matlab

模型，同時考慮了負載變化對接地線電流信號的影響，給出了相應的接地線電流變化曲線。分析了空載與帶載情況下接地線電流變化，為煤礦電力電纜絕緣在線監測提供依據；應用小波消噪對提取信號進一步優化，使特征量更為明顯。

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Research of online monitoring of high voltage cable insulation degradation of coal mine

WANG Yongsheng1，LI Xiaona1，ZHAO Guodong2，PENG Qixuan3，LIANG Rui1

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China; 2.Yangzhou Maintenance Branch, Jiangsu Electric Power Company,Yangzhou 225000, China; 3.Xuzhou Power Supply Company, Jiangsu Electric Power Company,Xuzhou 221005, China)

Electrical characteristics of coal mine high voltage cable was analyzed under situation of water tree aging, electrical tree aging and overall uniform deterioration. Wavelet noise canceling technology and signal separation technology based on orthogonal decomposition were used for noise signal processing of grounding line current. Changing trends and set threshold of grounding line current were used to determine whether cable insulation deterioration occurs. Matlab simulation results show that researching relationship between insulation parameters changing of each line and different components of corresponding grounding-line current enables extraction of characteristic signal of online monitoring of high voltage cable insulation degradation of coal mine.

coal mine high voltage cable; cable insulation; grounding line current; online monitoring; wavelet denoising

2016-01-18；

2016-04-25；責任編輯：胡嫻。

王永升(1990-)，男，山西大同人,碩士研究生，主要研究方向為電氣設備絕緣在線監測，E-mail：1028713962@qq.com。

TD608

A網絡出版時間：2016-06-01 10:32