趙金憲， 趙 雷

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

基于改進(jìn)低頻電源法的采區(qū)漏電監(jiān)測(cè)

趙金憲， 趙 雷

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

采用附加低頻電源法監(jiān)測(cè)礦井低壓供電電纜漏電情況，其監(jiān)測(cè)結(jié)果容易受到電纜對(duì)地電容變化的影響。為消除電容影響，提高監(jiān)測(cè)的可靠性，通過(guò)Simulink建立分支電纜單相漏電模型，對(duì)分支電纜增設(shè)對(duì)地可調(diào)電感以進(jìn)行容性電流補(bǔ)償，并且在低頻電源處增設(shè)總支路監(jiān)測(cè)模塊。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的附加低頻電源監(jiān)測(cè)法提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

低頻電源;漏電監(jiān)測(cè);仿真

礦井低壓供電電纜漏電監(jiān)測(cè)主要是對(duì)電纜絕緣阻值的監(jiān)測(cè)。在已知的漏電監(jiān)測(cè)方法中，附加低頻電源法不但可以實(shí)現(xiàn)分支電纜絕緣參數(shù)在線監(jiān)測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)井下電網(wǎng)的選擇性漏電保護(hù)［1］。該方法能夠在電纜發(fā)生漏電時(shí)準(zhǔn)確判斷漏電支路，比采用零序參數(shù)和功率參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法更準(zhǔn)確［1－2］。但煤采區(qū)電纜在使用過(guò)程中，由于電流波動(dòng)大，設(shè)備移動(dòng)頻繁，水分滲透以及電纜自身老化等原因，使得電纜對(duì)地電容值發(fā)生變化。文獻(xiàn)［3］中就指出，電纜自身老化或者發(fā)生故障均可以引起對(duì)地電容值的增大。文獻(xiàn)［1］和［2］中也指出，電纜絕緣電阻值的監(jiān)測(cè)精度將隨電容值的增大而下降，這可能導(dǎo)致報(bào)警裝置發(fā)出錯(cuò)誤警告和誤動(dòng)作。

電容值的變化影響低頻電流中容性電流［2］。文中改進(jìn)的附加低頻電源法對(duì)每一分支電纜增設(shè)可調(diào)電感，根據(jù)電纜對(duì)地電容值變化，設(shè)置電感值以補(bǔ)償容性電流，從而減小或者消除容性電流，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在低頻電源接地處增設(shè)對(duì)總支路漏電監(jiān)測(cè)的模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有支路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 附加低頻電源法監(jiān)測(cè)原理

1.1 原 理

圖1為附加低頻電源法監(jiān)測(cè)電纜漏電情況的原理圖(除去虛線框部分)，其等效電路如圖2所示。圖1中電纜電氣參數(shù)(電阻、電容)采用集中參數(shù)表示，支路1為正常供電線路，支路2中A相d點(diǎn)出現(xiàn)對(duì)地絕緣電阻下降。

圖1 低頻電源監(jiān)測(cè)原理Fig.1 Monitoring principle

圖2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit

低頻電源監(jiān)測(cè)基本原理是，通過(guò)監(jiān)測(cè)低頻電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜漏電情況的監(jiān)測(cè)。具體方法:在采區(qū)三相交流供電電網(wǎng)中附加一個(gè)低頻交流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)變壓器、電抗器(SK)輸入到供電線路，由電纜對(duì)地絕緣阻抗入地，與檢測(cè)電阻R1、保護(hù)電阻R'構(gòu)成低頻回路;各支路中低頻電流和相位將隨電纜對(duì)地阻抗的變化而變化，通過(guò)電流互感器采集低頻電流變化信號(hào)，然后進(jìn)行濾波、放大、數(shù)字處理和分析［4］，得到各支路電纜的漏電情況和電纜絕緣阻抗的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［1］。

圖2中，r為支路電纜三相對(duì)地并聯(lián)電阻值;C為對(duì)地并聯(lián)電容值;Lsk為電抗器電感值;R為等效電阻，R=R1+R';為低頻電源;為支路中低頻電流。如果不考慮圖1中虛線框部分，由圖2可得

式中:ω——低頻電源角頻率。

式(1)變換后得

由式(4)可知，電容增大將導(dǎo)致監(jiān)測(cè)電流增大。

1.2 低頻電源選取方法

低頻信號(hào)選取條件:(1)由于電纜對(duì)地分布電容的存在，選取的監(jiān)測(cè)信號(hào)不應(yīng)降低電纜對(duì)地的絕緣參數(shù)，以提高監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確性;(2)有利于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行提取，提高抗干擾能力;(3)降低注入信號(hào)頻率ω有利于減小容性電流。

根據(jù)對(duì)稱分量法的理論［5］，

當(dāng)煤采區(qū)分支電纜發(fā)生漏電時(shí)，如圖1中支路2的A相d點(diǎn)，應(yīng)用對(duì)稱分量法對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行三相漏電分析可知，產(chǎn)生的零序漏電信號(hào)主要是50 Hz工頻信號(hào)，并伴有工頻奇次倍諧波信號(hào)(3次、5次、7次等)［5］。由此可知，為便于對(duì)采集到的低頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理和提高抗干擾能力，所選低頻信號(hào)應(yīng)盡可能小于工頻信號(hào)。

由于正弦信號(hào)頻率穩(wěn)定，波形畸變系數(shù)較小，而且易于提取，所以參考低頻信號(hào)選取條件，選取10 Hz正弦交流電源。工頻為10 Hz低頻信號(hào)的整數(shù)倍，再利用全周傅里葉算法，可以較好地消除50 Hz工頻負(fù)載信號(hào)和高次諧波的影響。考慮高度危險(xiǎn)的條件下(如潮濕的場(chǎng)所)，安全電壓宜采用36 V，所以10 Hz正弦交流電源有效值選為20 V。

2 對(duì)附加低頻電源法的改進(jìn)

2.1 增設(shè)模塊

改進(jìn)的低頻電源法在圖1中增加了可調(diào)電感和總支路監(jiān)測(cè)模塊兩部分?？烧{(diào)電感將對(duì)電纜對(duì)地電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，以消除容性電流對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的影響，提高監(jiān)測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性?？傊繁O(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有分支電纜是否漏電。當(dāng)支路漏電時(shí)，該監(jiān)測(cè)模塊信號(hào)會(huì)有變化;當(dāng)某條分支電纜的電流監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，該監(jiān)測(cè)模塊可以反映出支路中是否漏電，這樣更加保證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

增加等效電路圖2中虛線框內(nèi)容，得到

由式(7)可知，根據(jù)對(duì)低頻電流值的持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以準(zhǔn)確地推斷電纜對(duì)地電阻值，并對(duì)電纜電阻的變化趨勢(shì)作出判斷，避免漏電、短路等故障。

2.2 電感值確定方法

由式(4)得

式(10)中，θ為電壓與電流相位差，只要求得θ便可得到C值。C值已知后，根據(jù) ωC－1/ωL=0，便可得到需要的電感值。

3 建模與仿真

3.1 仿真模型

采用MATLAB 7.1中的Simulink模塊進(jìn)行理論仿真，仿真模型如圖3所示。圖3中設(shè)置支路1、支路2、支路3三條線路。三相電源相間電壓有效值為660 V;輸電線路采用π型鏈接方式［6］，其正序電氣參數(shù)為 0.012 73 Ω/km、0.033 7e－3 H/km、12.74e－9 F/km，零序?yàn)?0.386 4 Ω/km、4.126 4e－3 H/km、7.751e－9 F/km，輸電線選取長(zhǎng)度為1 km;負(fù)載設(shè)為感性，有功功率105W，電感功率104Var;電抗器SK數(shù)值設(shè)為0.5 H;低頻1∶1變壓器為理想變壓器;運(yùn)放Gain模塊對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行100倍放大;保護(hù)電阻R10=1 kΩ，檢測(cè)電阻R11=8 Ω;Scope為示波器，用來(lái)觀察低頻電流監(jiān)測(cè)值;設(shè)仿真時(shí)間為0～0.5 s。

3.2 仿真分析

3.2.1 附加低頻電源法

在電纜未漏電時(shí)，設(shè)電阻R1～R9的值為106Ω，支路1的電容值為1e－6 F，支路2的電容值為0.5e－6 F，支路3的電容值為0，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4看出，電纜對(duì)地電容值越大，低頻電流峰值越大，而僅憑電流峰值無(wú)法判斷出電纜電阻值;此外，Scope4顯示50 Hz電流信號(hào)峰值很小，說(shuō)明在支路3電纜沒(méi)有發(fā)生單相故障時(shí)，電路中工頻信號(hào)很小，可以忽略不計(jì)。

支路3中不含對(duì)地電容，且R+ωLsk＜＜r，故由式(3)可得流過(guò)支路3的電流峰值，即

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

圖4 改進(jìn)前各支路正常供電仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of each branch with no leakage before improvement

式(11)、(12)的理論計(jì)算結(jié)果與圖4中 Scope2、Scope3對(duì)低頻電流峰值的仿真結(jié)果相一致，說(shuō)明建模正確。

仿真結(jié)果中，由Continuous模塊中的分析工具可以觀察到支路1和支路2的各相電壓、電流有效值和相位，如圖5所示。

當(dāng)支路2、支路3的rA=5 kΩ時(shí)，各個(gè)電容值不發(fā)生變化，其仿真結(jié)果如圖6所示。可以看到，支路1電流峰值沒(méi)有變化，支路2、3電流峰值比圖4中相應(yīng)峰值增大，此外，工頻信號(hào)電流峰值也增大。此時(shí)，保護(hù)電阻 R10=1 kΩ的阻值不可以忽略，將rA=5 kΩ代入式(3)，經(jīng)放大模塊可得:支路2電流為0.48 A，Scope2顯示為0.55 A左右;支路3電流為0.55 A，Scope3顯示為0.52 A左右。由此可知，理論計(jì)算值與圖6中仿真結(jié)果相符，說(shuō)明建模正確。圖6中Scope4顯示工頻電流峰值增大，這是由于支路3電阻下降所致。由對(duì)稱分量法和式(5)也可知，漏電支路中工頻信號(hào)增大。

圖5 參數(shù)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of parameters

附加低頻電源法存在的問(wèn)題:(1)由于三條線路對(duì)地電容值不同，當(dāng)支路2、3發(fā)生漏電時(shí)，圖6中三條支路的電流峰值均為0.5 A左右，僅憑監(jiān)測(cè)結(jié)果無(wú)法判斷哪條線路的對(duì)地絕緣電阻下降，因此給監(jiān)測(cè)帶來(lái)安全隱患;(2)如果某條線路低頻電流監(jiān)測(cè)裝置失靈，則不能夠獲得該支路監(jiān)測(cè)信息，產(chǎn)生監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

圖6 改進(jìn)前支路2、3漏電仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of 2 and 3 branch with leakage before improvement

3.2.2 改進(jìn)的附加低頻電源法

對(duì)支路1、2的容性電流進(jìn)行補(bǔ)償。將由圖5監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，代入式(10)，得到支路1中C=1e－6 F，支路2中C=0.5 e－6 F，與設(shè)定值相同。由式(6)可知，支路1需并聯(lián)0.25×103H電感，支路2需并聯(lián)0.5×103H電感。仿真中增加了總支路監(jiān)測(cè)模塊，并由Scope6顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。

當(dāng)三條支路未發(fā)生漏電時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可見(jiàn)，三條支路中流過(guò)的低頻電流峰值均為0.008 A左右，符合式(11)的計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明支路中容性電流得到補(bǔ)償，此時(shí)電路準(zhǔn)確反映出了電纜的電阻值;新增設(shè)的總支路監(jiān)測(cè)模塊Scope5顯示電流值I1=0.024 A，為三條支路電流值之和，所以，當(dāng)某支路監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可由總模塊推得該支路中電流值，從而提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖7 改進(jìn)后正常供電仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of each branch with no leakage after improvement

當(dāng)三條支路rA=5 kΩ時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖可知，三條支路中流過(guò)的低頻電流峰值均為0.5 A左右。將參數(shù)代入式(11)得峰值結(jié)果為0.567 A，與仿真結(jié)果相同。這說(shuō)明增加可調(diào)電感后，漏電電流中容性電流得到補(bǔ)償，各支路監(jiān)測(cè)結(jié)果反映出電纜電阻值的真實(shí)值。此外，新增設(shè)的總支路監(jiān)測(cè)模塊電流峰值1.5 A左右，為三條支路電流值之和，所以，當(dāng)支路出現(xiàn)漏電故障時(shí)，總監(jiān)測(cè)模塊也可以監(jiān)測(cè)到漏電故障的發(fā)生，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖8 改進(jìn)后三條支路漏電仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of each branch with leakage after improvement

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)分支電纜增設(shè)對(duì)地可調(diào)電感及在低頻電源處增設(shè)總支路監(jiān)測(cè)模塊，改進(jìn)了附加低頻電源法。仿真結(jié)果表明，在煤采區(qū)采用改進(jìn)的附加低頻電源法進(jìn)行漏電監(jiān)測(cè)，由于容性電流得到補(bǔ)償，當(dāng)支路發(fā)生單相漏電時(shí)，得到的低頻電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更能準(zhǔn)確反映電纜的真實(shí)阻值和阻值變化趨勢(shì);而且新增設(shè)的總支路監(jiān)測(cè)模塊，能夠在分支監(jiān)測(cè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)起到分析、監(jiān)測(cè)作用，增加了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這有利于對(duì)電纜漏電趨勢(shì)作出準(zhǔn)確判斷和預(yù)報(bào)，提高了采區(qū)供電的安全性。

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Leakage monitoring in coal mining area based on improvement of low frequency power supply

ZHAO Jinxian，ZHAO Lei
(College of Electric＆ Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

The monitoring of leakage occurring in mine low-voltage power supply cable by additional low-frequency power threatens to leave the monitoring results vulnerable to the impact of changes in cable capacitance to ground.Aimed at eliminating the impact and improving the reliability of leakage monitoring with additional low-frequency power，this paper introduces the way adjustable inductance to ground for branch cables is added to compensate for the changes in capacitance and detection on total branch is also added at the low-frequency power.The simulation results show a greater accuracy in leakage monitoring.

low frequency power supply;leakage monitoring;simulation

TM743

A

1671－0118(2012)05－0521－05

2012－06－28

趙金憲(1970－)，男，吉林省舒蘭人，教授，博士，研究方向:信號(hào)與信息處理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，E-mail:zjx5579@163.com。

(編輯 荀海鑫)