基于低頻交流疊加法的礦用低壓配電電線電纜絕緣監測方案

曹 建 文

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引 言

礦用低壓配電電線電纜絕緣結構的電氣性能關系到煤礦井下電氣設備的使用壽命和安全運行，電線電纜絕緣破壞后，可能會發生嚴重安全事故，甚至造成人員傷亡。據統計數據表明，60%~85%的煤礦井下電力設備運行事故是由絕緣故障引起的，敷設10 年以上的電線電纜絕緣不良的比例高達10%。為保證礦井用電安全，國內外學者展開一系列的研究，如周龍[1]針對由于水樹枝劣化引起的電力電纜絕緣損壞的問題，研究低頻交流電壓疊加法對電力電纜進行帶電檢測，詳細分析了該方法的測量原理、測量特點，并給出軟硬件設計方法。鄭曉泉[2]等基于超低頻方波-工頻電壓疊加法對XLPE 電纜進行響應電流試驗研究，并詳細分析了試驗原理和試驗方法。梁增元[3]在詳細分析煤礦低壓電纜絕緣性能帶電/不帶電檢測方法的基礎上，明確指出利用低頻疊加法檢測tanδ，可使得電線電纜的容性電流減少、阻性電流基本不變，從而有效檢測電線電纜絕緣，提高電線電纜的使用壽命。蘇文[4]等應用低頻疊加法對礦用低壓電線電纜的阻性電流進行檢測，獲取礦用低壓電線電纜的絕緣電阻參數，實現對其絕緣水平的實時監測。文獻[5-7]利用直流疊加法對XLPE 電線電纜由于水樹枝劣化問題進行絕緣監測，詳細分析了直接疊加法原理以及方案設計，并進行仿真驗證，實際絕緣監測效果需進一步工程試驗證明。為保證礦用低壓配電電線電纜使用的安全性和可靠性，綜合考慮低壓配電網電線電纜對極化現象和吸收現象較弱的特點，設計基于低頻交流疊加法的絕緣監測方案。

1 原理分析

1.1 低壓配電網分析

礦井低壓配電網接地系統分為TN、TT 和IT 3 種類型，如圖 1 所示，其中第一字母 T（Terre，大地）表示電源的一點與大地直接連接；第1 字母（IIsolation，隔離）表示電源與大地隔離或電源的一點經高阻抗與大地直接連接。第2 個字母T 表示外露導電部與大地直接連接；第二字母N（Neutre，中性點）表示外露導電部經電源中性點與大地連接[8]。TN 類又可細分為TN-S、TN-C、TN-C-S。低壓配電網IT 接地系統的特點是負載的外露導電部分發生碰殼事故后，系統中的接地電流極小，系統還可繼續運行但必須發送故障報警，即必須加裝絕緣監視裝置觸發警報。

圖1 礦井低壓配電網兩種接地系統

1.2 低頻交流疊加原理分析

低頻交流疊加方法是在被測電線電纜上施加低頻電源電壓（7.5Hz，20V），從接地端檢出的低頻電流中分離出與低頻電壓同相位的有功電流分量，進而求得絕緣電阻，其原理如圖2 所示。

2 低壓配電網絕緣監測方案

基于低頻交流疊加法的低壓配電絕緣監測方案原理如圖3 所示，為產生測試電壓的電源，其電壓波形如式（1）所示：

式中：n為整數，Um=20V，頻率Rm為采樣電阻，兩端電壓為u（t），檢測裝置即以采樣電阻Rm兩端的電壓u（t）為檢測對象。在選擇采樣電阻Rm時，其電阻值大小關系到被測絕緣電阻的測量范圍。如果Rm電阻值選擇過小，則分到Rm兩端的電壓值就過小，后續處理較困難；如果Rm電阻值選擇過大，則漏電流i（t）會過小，影響測量。經試驗證明，采樣電阻Rm的大小選取為最大量程的1 10 000 較合適，如最大量程為10 GΩ 時，選取采樣電阻值為1MΩ，若測試電源幅值為20 V 且忽略其他阻抗，在采樣電阻Rm的分壓幅值為2 mV，適合后續電路的處理。

圖3 IT 型配電網低頻疊加法原理

LPF 是由電容、電感組成的低通濾波器，允許低于截至頻率的信號通過。LPF 并聯交流阻抗可表示為式（2）：

由于電網三相對地絕緣阻抗不等，為不平衡負載，在測量回路中會混入工頻交流成分，為消除工頻交流成分，令ω=100π，且則有式（3）：

測試電壓電源頻率為7.5 Hz，則基波頻率ω1為ω1＝2π×7.5=47.12，則 LPF 的并聯交流阻抗為式（4）：

Rs為疊加電阻并聯值，為星型連接，對稱負載，測試電壓電源um（t）從該星型連接的中性點接入，根據電路定理可知，三相交流電流以及諧波分量不流經測試電源回路[9-10]。Rs選擇時應考慮：①應選擇電阻，因電抗會使流經的電流發生相移，電阻不會；②由于Rs為三相交流電的負載，選擇電阻值較小時，會導致消耗電能產生過多的熱量；選擇電阻值過大時，流經電流會產生較大的壓降，影響測量結果；③經試驗證明，選取Rs的電阻值消耗功率為1.5 W 左右較合適。

Z1、Z2 以及 Z3 為電線電纜對地絕緣阻抗，Zi 為其等效絕緣阻抗。被測電線電纜對地絕緣阻抗為不對稱負載，會對該回路引入工頻電流，由于LPF 低通濾波器對工頻電流的阻抗較大，可對其進行濾波，削弱由于電線電纜對地絕緣阻抗不對稱而引入的工頻電流成分[11-12]。當被測三相電纜對地絕緣阻抗減小時，由為電壓源的漏電流回路閉合，漏電流將依次流經Rm、LPF、Rs以及Zi，并在采樣電阻Rm上形成壓降。令LPF 的等效阻抗為ZF，則根據電路原理中的串聯電路分壓定律可知采樣電阻Rm的壓降可表示為式（5）：

低頻交流疊加法可同時檢測配電網的絕緣電阻和泄露電容。電流i(t)在采樣電阻Rm產生的電壓信號經LPF2 低通濾波器濾除工頻信號和高頻信號后得到基波分量A，且頻率為ω1；信號B 為與測試電壓電源同相位的方波信號，且頻率為ω。信號A、B 經相位比較后可得i（t）與c的相位差θ。LPF 并聯交流阻抗ZF對頻率為ω1的基波分量產生的相移θF是確定的，可計算出絕緣阻抗Zi對基波分量產生的相移θi。

圖4 低頻交流疊加法電流相位檢測原理及等效測量回路

低頻交流疊加法電流相位移檢測原理及等效測量回路見圖4 所示，其中采樣電阻的電壓可表示為式（6）以及式（7）：

將式（1）按照傅里葉級數展開有如式（8）所示：

一般取漏電阻Ri為1010Ω，漏電容為10-12F，則在ω=ω1時，絕緣阻抗Zi 對基波分量產生的相移θi約為25°。

3 試驗驗證

根據IT 型低壓配電網低頻疊加法原理，在仿真平臺搭建圖2 所示的拓撲結構并進行仿真。設置參數漏電阻的數量級為1010Ω，漏電容Ci的數量級為10-12F。得到漏電流（it）以及采樣電阻Rm上的壓降u（t）的波形如圖5 所示[13]。為采集到Ci充電電流引起的電容性漏電流的尖峰脈沖，必須設置較高的采樣頻率。

圖5 漏電流i(t)及壓降u(t)仿真波形

圖6 所示為采樣電阻Rm上的壓降u(t)的基波分量u1(t)與原測試電源波形仿真圖，其中藍色曲線為u1(t)波形，紅色曲線為測試電源電壓波形[13]。由仿真波形圖6 可知，LPF 低通濾波器對基波分量u1(t)的相位影響較小，主要由絕緣阻抗決定。

圖6 壓降基波分量與測試電源波形比較

4 結束語

1）根據礦用低壓配電網電線電纜對極化現象和吸收現象表現較弱且不具備屏蔽層的特點，利用低頻交流疊加法對中性點不接地的IT 電線電纜的絕緣特性進行監測。

2）設計的低頻交流疊加法絕緣監測方案表明LPF 低通濾波器對被測采樣電阻電壓的基波分量影響不大，受絕緣阻抗的影響較大。

3）低頻交流疊加法絕緣監測方案可準確獲取電阻性漏電流值，從理論及試驗驗證了該方案的可行性和優越性。