王永升，　李曉娜，　趙國棟，　彭啟軒，　梁睿

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008； 2.江蘇省電力公司 揚(yáng)州檢修分公司，江蘇 揚(yáng)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(jiān)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(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008； 2.江蘇省電力公司 揚(yáng)州檢修分公司，江蘇 揚(yáng)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(xiàn)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(shù)和基于正交分解的信號(hào)分離技術(shù)進(jìn)行接地線電流噪聲處理，通過接地線電流的變化趨勢和設(shè)定閾值來判斷電纜是否發(fā)生絕緣劣化。Matlab仿真結(jié)果表明，研究各條線路的絕緣參數(shù)變化與相應(yīng)接地線電流不同分量的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦高壓電纜絕緣在線監(jiān)測特征信號(hào)的提取。

煤礦高壓電纜； 電纜絕緣； 接地線電流； 在線監(jiān)測； 小波消噪

網(wǎng)絡(luò)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(huán)境惡劣，電纜絕緣層極易出現(xiàn)水樹枝、電樹枝等問題，導(dǎo)致電纜老化加速，絕緣水平降低，從而易發(fā)生各種接地故障，甚至出現(xiàn)間歇性電弧。當(dāng)井下瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定程度時(shí)，電弧的出現(xiàn)可能導(dǎo)致瓦斯爆炸，對(duì)礦井安全生產(chǎn)運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅[1]。因此，研究煤礦電力電纜的絕緣劣化[2-3]、對(duì)劣化過程進(jìn)行在線監(jiān)測具有重大意義。目前，應(yīng)用前景廣闊的電纜絕緣在線監(jiān)測方法主要包括直流疊加法、直流分量法、介質(zhì)損耗因數(shù)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(jiān)測方法。該方法根據(jù)煤礦10 kV配電網(wǎng)中電纜發(fā)生絕緣劣化時(shí)不同時(shí)期的參數(shù)變化特征，采用小波消噪和正交分解技術(shù)實(shí)現(xiàn)接地線電流噪聲處理，從而準(zhǔn)確識(shí)別電纜劣化情況。

1　電纜絕緣水平與接地線電流的關(guān)系

[5]對(duì)絕緣劣化造成的絕緣電阻和分布電容的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：電纜絕緣劣化早期，分布電容呈現(xiàn)波動(dòng)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(jié)構(gòu)能夠看出，絕緣等效電阻和分布電容的變化會(huì)引起電纜線芯與金屬屏蔽層之間絕緣物質(zhì)XLPE的變化，從而使接地線電流發(fā)生變化。絕緣物質(zhì)劣化過程中，不同的參數(shù)變化規(guī)律引起的接地線電流波形變化不同，據(jù)此可以進(jìn)行劣化類型的識(shí)別。圖1給出了絕緣參數(shù)變化與電纜劣化不同時(shí)期對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系。

圖1　絕緣參數(shù)變化與電纜劣化不同時(shí)期對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系

XLPE電纜導(dǎo)體線芯和金屬屏蔽層間的絕緣能夠等效成無數(shù)個(gè)絕緣電阻與分布電容并聯(lián)組成的參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，該參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的阻抗大于等于100 MΩ[6]。因此，可以把電纜的絕緣狀態(tài)等效成電阻、電容并聯(lián)的參數(shù)模型。在煤礦配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，屏蔽層廣泛采用一端直接接地方式，因此，本文重點(diǎn)研究該種運(yùn)行方式下的電力電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)。

從理論分析來看，XLPE電纜金屬保護(hù)層的接地線電流Ij包含電容電流Ic、磁感應(yīng)環(huán)流Ii及泄漏電流Ir，在電纜絕緣狀態(tài)正常的時(shí)候，泄漏電流Ir非常小，在工程計(jì)算過程中常常忽略。針對(duì)電纜金屬保護(hù)層單端接地的情況，磁感應(yīng)環(huán)流Ii約等于零，則接地線電流為

(1)

式中:ω為系統(tǒng)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(duì)地電壓；e0為真空介電常數(shù)；e為電纜主絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；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(duì)地分布電容。若電纜產(chǎn)生局部絕緣缺陷或者整體均勻劣化，會(huì)使得絕緣內(nèi)部的空間電荷量以及極性基團(tuán)量有所增加，并且加強(qiáng)了松弛極化。絕緣介電常數(shù)的極化率ε增大，等效為電纜絕緣的對(duì)地電容增大，相對(duì)應(yīng)的電纜單端的接地線電流也加大,所以對(duì)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(fā)生絕緣劣化。

在電纜金屬保護(hù)層兩端接地及交叉互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，接地線電流Ij是電容電流Ic和磁感應(yīng)環(huán)流Ii的矢量和，Ij的大小介于Ii,Ic的代數(shù)差與和之間。電纜交叉互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的接地線電流計(jì)算特別繁瑣，而電纜金屬保護(hù)層采用單端接地方式時(shí)，一般是Ii遠(yuǎn)大于Ic，采用近似計(jì)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(hù)層上引起的感應(yīng)電動(dòng)勢；R1為感應(yīng)電流回路中除掉電纜金屬保護(hù)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(guān)的導(dǎo)通電阻等；X為電纜金屬保護(hù)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(shù)；θ為電纜線芯導(dǎo)體的工作溫度；η為電纜金屬保護(hù)層的溫度相對(duì)于導(dǎo)體溫度的比率，其值與絕緣熱阻有關(guān)。

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(xué)者發(fā)現(xiàn)電纜絕緣劣化和水樹枝增長的正比例關(guān)系后，目前已經(jīng)普遍認(rèn)為水樹枝的出現(xiàn)是電纜絕緣開始劣化的標(biāo)志[7]。由于水樹枝的尖部會(huì)有高強(qiáng)度電場產(chǎn)生，導(dǎo)致水樹枝在電纜絕緣層中不斷擴(kuò)展，并且漸漸演變?yōu)殡姌渲?，出現(xiàn)大面積的貫穿，然后絕緣層的電樹枝引發(fā)絕緣擊穿，即間歇性高阻接地故障。整個(gè)劣化至擊穿過程呈現(xiàn)隨機(jī)性變化。

在電纜的水樹枝發(fā)展過程中，絕緣電阻的變化是非線性的，同時(shí)水樹枝的產(chǎn)生會(huì)引起絕緣電阻的下降和等效電容的增加。但是對(duì)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(fā)展趨勢。圖2為控制可變?nèi)菘筙C隨時(shí)間的變化曲線，圖3為線路發(fā)生水樹枝老化時(shí)的接地線電流波形。

圖2　控制可變?nèi)菘闺S時(shí)間的變化曲線

圖3　線路發(fā)生水樹枝劣化時(shí)的接地線電流波形

2.2電樹枝引起的絕緣劣化

當(dāng)由水樹枝或者局部放電發(fā)展成電樹枝后，電纜的絕緣參數(shù)仍然是非線性變化。電樹枝劣化后，電纜絕緣可等效為對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)網(wǎng)絡(luò),數(shù)值非線性增加。由于電纜出現(xiàn)電樹枝屬于絕緣劣化的后期，對(duì)于等效參數(shù)模型而言，絕緣電阻的非線性下降占主導(dǎo)因素，絕緣電阻對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納增加趨勢加快[8-9]。圖4為控制絕緣電阻隨時(shí)間的變化曲線，圖5為對(duì)應(yīng)的線路發(fā)生電樹枝劣化的接地線電流波形。

圖4　控制絕緣電阻隨時(shí)間的變化曲線

2.3整體電纜均勻劣化

從電路參數(shù)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(shí)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(duì)地等效參數(shù)的線性變化，得到相應(yīng)的接地線電流變化，通過Matlab/Simulink搭建實(shí)際配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷分配，依次對(duì)各條支路的均勻劣化進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，

圖5　線路發(fā)生電樹枝劣化時(shí)的接地線電流波形

建立關(guān)于不同支路編號(hào)的接地線電流樣本數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行實(shí)際電纜絕緣劣化與樣本組的相關(guān)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(hào)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(hào)，再通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成適合AD轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，利用AD轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)場的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[10-11]。上述處理環(huán)節(jié)中均可能有噪聲產(chǎn)生，為了使仿真較精確地逼近現(xiàn)場試驗(yàn)，需要給出待仿真信號(hào)的噪聲分量，本文將不同標(biāo)準(zhǔn)差的高斯白噪聲作為噪聲分量，對(duì)加入噪聲分量后的仿真信號(hào)實(shí)施小波消噪處理。參考文獻(xiàn)[12-13]把基于小波變換的去噪技術(shù)應(yīng)用到對(duì)電力系統(tǒng)交流采樣信號(hào)的處理中，參考文獻(xiàn)[14]把多小波消噪技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)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(shí)間窗和頻率窗均能變化的時(shí)頻域局部化的分析方法。信號(hào)的自適應(yīng)性主要體現(xiàn)在：在信號(hào)的低頻范圍內(nèi)呈現(xiàn)低時(shí)間分辨率和高頻率分辨率的特征；在信號(hào)的高頻范圍內(nèi)呈現(xiàn)高時(shí)間分辨率和低頻率分辨的特征。

影響信號(hào)消噪效果的重要一步是閾值量化[15]。在針對(duì)閾值的處理方法中，小波變換能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)50 Hz頻率的平穩(wěn)信號(hào)的噪聲消除，因此，采用強(qiáng)制消噪的方法對(duì)閾值進(jìn)行量化，將小波分解后的高頻系數(shù)直接歸零，達(dá)到濾除信號(hào)中所有高頻部分的目的，然后再實(shí)施重構(gòu)處理。

將標(biāo)準(zhǔn)正弦交流信號(hào)f(i)疊加高斯白噪聲(標(biāo)準(zhǔn)差為0.25)后，對(duì)其實(shí)施采樣，要求的采樣點(diǎn)為1 000，采樣頻率為70 kS/s。原始信號(hào)以及疊加白噪聲后的信號(hào)波形如圖7所示。

(a) 原始信號(hào)

(b) 疊加白噪聲后的信號(hào)

在標(biāo)準(zhǔn)仿真信號(hào)中疊加標(biāo)準(zhǔn)差為0.25的高斯白噪聲后，用強(qiáng)制消噪的算法進(jìn)行處理，對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行1—6層小波分解。結(jié)合去噪后的3個(gè)效果指標(biāo)：賦范誤差、平均誤差以及均方誤差，相應(yīng)的誤差見表1。

表1　在不同分解層數(shù)中對(duì)應(yīng)的去噪效果

分析表1可知，5層分解時(shí)去噪效果最佳，分解層數(shù)繼續(xù)增加后，波形出現(xiàn)了畸變。所以，本文選用5層小波分解。依次對(duì)信號(hào)使用強(qiáng)制消噪、默認(rèn)閾值消噪法進(jìn)行處理，得到的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

4　仿真驗(yàn)證

通過搭建基于Matlab的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在發(fā)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(jí)下對(duì)應(yīng)的R-I關(guān)系和C-I關(guān)系，如圖10和圖11所示。

圖8　強(qiáng)制消噪后的效果

圖9　默認(rèn)閾值消噪后的效果

圖10　不同電壓等級(jí)下對(duì)應(yīng)的R-I關(guān)系

圖11　不同電壓等級(jí)下對(duì)應(yīng)的C　-I關(guān)系

分析圖10和圖11可看出，系統(tǒng)的電壓等級(jí)越高，局部缺陷產(chǎn)生的接地線電流越大，即高壓系統(tǒng)的接地線電流變化曲線要比低壓系統(tǒng)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(jí)對(duì)應(yīng)的接地線電流Cf-I、Rf-I變化趨勢基本相同。因此，應(yīng)結(jié)合煤礦高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，實(shí)時(shí)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(shè)定閾值來判斷是否發(fā)生絕緣劣化。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的可靠性，考慮空載與負(fù)載情況下的絕緣水平與接地線電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)給出了在負(fù)載不對(duì)稱度發(fā)生變化的情況下，相應(yīng)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(fù)載情況下

圖13　分布電容不變，空載和負(fù)載情況下

不管是系統(tǒng)空載還是帶有負(fù)載，當(dāng)局部缺陷處的絕緣電阻保持不變時(shí)，分布等效電容C0和接地線電流I之間的關(guān)系具有規(guī)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(shí)期，在這樣的過渡時(shí)期，分布電容的增加幾乎不會(huì)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(fù)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(duì)應(yīng)的電容、電阻曲線比負(fù)載時(shí)的曲線明顯上移。因此，空載情況對(duì)應(yīng)的接地線電流比負(fù)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(tǒng)所帶負(fù)載中的感性分量與反映電纜絕緣的容性分量發(fā)生了抵消。

5　結(jié)語

分析了煤礦井下10 kV電纜接地線電流在電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測方面的特征變化關(guān)系，然后分析了電纜在出現(xiàn)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(gè)劣化類型相應(yīng)的等效參數(shù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，搭建了相應(yīng)的Matlab

模型，同時(shí)考慮了負(fù)載變化對(duì)接地線電流信號(hào)的影響，給出了相應(yīng)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(jiān)測提供依據(jù)；應(yīng)用小波消噪對(duì)提取信號(hào)進(jìn)一步優(yōu)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(zé)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?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣在線監(jiān)測，E-mail：1028713962@qq.com。

TD608

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:32