基于低频交流叠加法的矿用低压配电电线电缆绝缘监测方案

曹 建 文

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引 言

矿用低压配电电线电缆绝缘结构的电气性能关系到煤矿井下电气设备的使用寿命和安全运行，电线电缆绝缘破坏后，可能会发生严重安全事故，甚至造成人员伤亡。据统计数据表明，60%~85%的煤矿井下电力设备运行事故是由绝缘故障引起的，敷设10 年以上的电线电缆绝缘不良的比例高达10%。为保证矿井用电安全，国内外学者展开一系列的研究，如周龙[1]针对由于水树枝劣化引起的电力电缆绝缘损坏的问题，研究低频交流电压叠加法对电力电缆进行带电检测，详细分析了该方法的测量原理、测量特点，并给出软硬件设计方法。郑晓泉[2]等基于超低频方波-工频电压叠加法对XLPE 电缆进行响应电流试验研究，并详细分析了试验原理和试验方法。梁增元[3]在详细分析煤矿低压电缆绝缘性能带电/不带电检测方法的基础上，明确指出利用低频叠加法检测tanδ，可使得电线电缆的容性电流减少、阻性电流基本不变，从而有效检测电线电缆绝缘，提高电线电缆的使用寿命。苏文[4]等应用低频叠加法对矿用低压电线电缆的阻性电流进行检测，获取矿用低压电线电缆的绝缘电阻参数，实现对其绝缘水平的实时监测。文献[5-7]利用直流叠加法对XLPE 电线电缆由于水树枝劣化问题进行绝缘监测，详细分析了直接叠加法原理以及方案设计，并进行仿真验证，实际绝缘监测效果需进一步工程试验证明。为保证矿用低压配电电线电缆使用的安全性和可靠性，综合考虑低压配电网电线电缆对极化现象和吸收现象较弱的特点，设计基于低频交流叠加法的绝缘监测方案。

1 原理分析

1.1 低压配电网分析

矿井低压配电网接地系统分为TN、TT 和IT 3 种类型，如图 1 所示，其中第一字母 T（Terre，大地）表示电源的一点与大地直接连接；第1 字母（IIsolation，隔离）表示电源与大地隔离或电源的一点经高阻抗与大地直接连接。第2 个字母T 表示外露导电部与大地直接连接；第二字母N（Neutre，中性点）表示外露导电部经电源中性点与大地连接[8]。TN 类又可细分为TN-S、TN-C、TN-C-S。低压配电网IT 接地系统的特点是负载的外露导电部分发生碰壳事故后，系统中的接地电流极小，系统还可继续运行但必须发送故障报警，即必须加装绝缘监视装置触发警报。

图1 矿井低压配电网两种接地系统

1.2 低频交流叠加原理分析

低频交流叠加方法是在被测电线电缆上施加低频电源电压（7.5Hz，20V），从接地端检出的低频电流中分离出与低频电压同相位的有功电流分量，进而求得绝缘电阻，其原理如图2 所示。

2 低压配电网绝缘监测方案

基于低频交流叠加法的低压配电绝缘监测方案原理如图3 所示，为产生测试电压的电源，其电压波形如式（1）所示：

式中：n为整数，Um=20V，频率Rm为采样电阻，两端电压为u（t），检测装置即以采样电阻Rm两端的电压u（t）为检测对象。在选择采样电阻Rm时，其电阻值大小关系到被测绝缘电阻的测量范围。如果Rm电阻值选择过小，则分到Rm两端的电压值就过小，后续处理较困难；如果Rm电阻值选择过大，则漏电流i（t）会过小，影响测量。经试验证明，采样电阻Rm的大小选取为最大量程的1 10 000 较合适，如最大量程为10 GΩ 时，选取采样电阻值为1MΩ，若测试电源幅值为20 V 且忽略其他阻抗，在采样电阻Rm的分压幅值为2 mV，适合后续电路的处理。

图3 IT 型配电网低频叠加法原理

LPF 是由电容、电感组成的低通滤波器，允许低于截至频率的信号通过。LPF 并联交流阻抗可表示为式（2）：

由于电网三相对地绝缘阻抗不等，为不平衡负载，在测量回路中会混入工频交流成分，为消除工频交流成分，令ω=100π，且则有式（3）：

测试电压电源频率为7.5 Hz，则基波频率ω1为ω1＝2π×7.5=47.12，则 LPF 的并联交流阻抗为式（4）：

Rs为叠加电阻并联值，为星型连接，对称负载，测试电压电源um（t）从该星型连接的中性点接入，根据电路定理可知，三相交流电流以及谐波分量不流经测试电源回路[9-10]。Rs选择时应考虑：①应选择电阻，因电抗会使流经的电流发生相移，电阻不会；②由于Rs为三相交流电的负载，选择电阻值较小时，会导致消耗电能产生过多的热量；选择电阻值过大时，流经电流会产生较大的压降，影响测量结果；③经试验证明，选取Rs的电阻值消耗功率为1.5 W 左右较合适。

Z1、Z2 以及 Z3 为电线电缆对地绝缘阻抗，Zi 为其等效绝缘阻抗。被测电线电缆对地绝缘阻抗为不对称负载，会对该回路引入工频电流，由于LPF 低通滤波器对工频电流的阻抗较大，可对其进行滤波，削弱由于电线电缆对地绝缘阻抗不对称而引入的工频电流成分[11-12]。当被测三相电缆对地绝缘阻抗减小时，由为电压源的漏电流回路闭合，漏电流将依次流经Rm、LPF、Rs以及Zi，并在采样电阻Rm上形成压降。令LPF 的等效阻抗为ZF，则根据电路原理中的串联电路分压定律可知采样电阻Rm的压降可表示为式（5）：

低频交流叠加法可同时检测配电网的绝缘电阻和泄露电容。电流i(t)在采样电阻Rm产生的电压信号经LPF2 低通滤波器滤除工频信号和高频信号后得到基波分量A，且频率为ω1；信号B 为与测试电压电源同相位的方波信号，且频率为ω。信号A、B 经相位比较后可得i（t）与c的相位差θ。LPF 并联交流阻抗ZF对频率为ω1的基波分量产生的相移θF是确定的，可计算出绝缘阻抗Zi对基波分量产生的相移θi。

图4 低频交流叠加法电流相位检测原理及等效测量回路

低频交流叠加法电流相位移检测原理及等效测量回路见图4 所示，其中采样电阻的电压可表示为式（6）以及式（7）：

将式（1）按照傅里叶级数展开有如式（8）所示：

一般取漏电阻Ri为1010Ω，漏电容为10-12F，则在ω=ω1时，绝缘阻抗Zi 对基波分量产生的相移θi约为25°。

3 试验验证

根据IT 型低压配电网低频叠加法原理，在仿真平台搭建图2 所示的拓扑结构并进行仿真。设置参数漏电阻的数量级为1010Ω，漏电容Ci的数量级为10-12F。得到漏电流（it）以及采样电阻Rm上的压降u（t）的波形如图5 所示[13]。为采集到Ci充电电流引起的电容性漏电流的尖峰脉冲，必须设置较高的采样频率。

图5 漏电流i(t)及压降u(t)仿真波形

图6 所示为采样电阻Rm上的压降u(t)的基波分量u1(t)与原测试电源波形仿真图，其中蓝色曲线为u1(t)波形，红色曲线为测试电源电压波形[13]。由仿真波形图6 可知，LPF 低通滤波器对基波分量u1(t)的相位影响较小，主要由绝缘阻抗决定。

图6 压降基波分量与测试电源波形比较

4 结束语

1）根据矿用低压配电网电线电缆对极化现象和吸收现象表现较弱且不具备屏蔽层的特点，利用低频交流叠加法对中性点不接地的IT 电线电缆的绝缘特性进行监测。

2）设计的低频交流叠加法绝缘监测方案表明LPF 低通滤波器对被测采样电阻电压的基波分量影响不大，受绝缘阻抗的影响较大。

3）低频交流叠加法绝缘监测方案可准确获取电阻性漏电流值，从理论及试验验证了该方案的可行性和优越性。