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

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)
摘要：针对矿用低压配电电线电缆绝缘故障率高的问题，设计基于低频交流叠加法的绝缘监测方案,达到早发现、早预防的目的，保证井下用电设备的安全、稳定运行。

分析IT、TN、TT3种低压配电网接地模式和特点，以矿用IT接地系统为研究对象，利用低频交流叠加原理设计矿用IT接地系统电线电缆绝缘监测方案,准确提取电阻性漏电流值。

试验验证结果表明:低频交流叠加绝缘监测方法中LPF对绝缘检测电阻的基波分量影响不大，其相位由绝缘阻抗决定;该方法能够有效监测矿用低压配电电线电缆绝缘状态,保证低压配电网的安全性和可靠性。

关键词：低频交流叠加；矿用低压配电；接地系统；基波分量；绝缘监测
中图分类号:TD61文献标志码:A文章编号：1009-0797(2021)03-0114-04
Insulation monitoring scheme of mine low-voltage distribution wires and cables based
on low-frequency AC superposition method
CAO Jianwen
(CCTEG Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan030006,China)
Abstract:Aiming at the problem of high insulation failure rate of mining low-voltage distribution wires and cables,an insulation monitoring scheme based on low-frequency AC superposition method is designed to achieve the purpose of early detection and early prevention,and to ensure the safe and stable operation of underground electrical equipment.Analyze the grounding modes and characteristics of the three low-voltage distribution networks IT,TN,TT,take the mine IT grounding system as the research object,design the wire and cable insulation monitoring scheme of the mine IT grounding system using the principle of low-frequency AC superposition,and accurately extract the resistive leakage current value.The test verification results show that:LPF in the low-frequency AC superimposed insulation monitoring method has little effect on the fundamental component of the insulation detection resistance,and its phase is determined by the insulation impedance;this method can effectively monitor the insulation status of mine low-voltage distribution wires and cables to ensure low-voltage distribution The safety and reliability of the power grid.
Key words:Low-frequency AC superposition;mine low-voltage power distribution;grounding system;fundamental wave component; insulation monitoring
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%o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⑴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⑶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tan8,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⑷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
基金项目：山西天地煤机装备有限公司技术创新项目，项目编号:M2018-25o项目名称：矿用变频驱动设备的绝缘检测及漏电保护研究。

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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I（Isola­tion,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冏。

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。

图2低频交流叠加法原理图
2-T)
1)式中:：为整数，如20V濒率i=1=7.5Hz。

凡为
采样电阻，两端电压为，检测装置即以采样电阻两端的电压u（t）为检测对象。

在选择采样电阻盅时，其电阻值大小关系到被测绝缘电阻的测量范围。

如果R”电阻值选择过小，则分到盅两端的电压值就过小，后续处理较困难;如果R”电阻值选择过大，则漏电流i（t怪过小，影响测量。

经试验证明，采样电阻的大小选取为最大量程的1/10000较合适，如最大量程为10GQ时，选取采样电阻值为1MQ,若测试电源幅值为20V且忽略其他阻抗，在采样电阻R m 的分压幅值为2mV,适合后续电路的处理。

图3IT型配电网低频叠加法原理
f£1
脅輝」
E
厂
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）：
L
jd)LC-j—
a)
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，令斫100仔,且=0,则有式（3）：
3
LC=W=1/（100仔）二1.10132伊10-5（3）
测试电压电源频率为7.5Hz,则基波频率棕1为棕1二2仔伊7.5二47.12,则LPF的并联交流阻抗为式（4）：
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：
L
jo)iLC-j丄
◎
L
於7.12LC^0212
4)
将式（3）代入式（4）则有二48.31L。

耳为叠加电阻并联值，为星型连接，对称负载,
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-
测试电压电源u (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
测试电源回路吟回。

尽选择时应考虑: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
R s 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,选取忆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,Z 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
以及Zi,并在采样电阻打上形成压降。

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R "的压降可表示为式(5)：
U=U m x
R b +R ”+z ；+Z f
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©在采样电阻R m 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 ,且频率为如;信号B 为与测试电压电源
同相位的方波信号,且频率为3。

信号A 、B 经相位比
较后可得i(t )与 的相位差0o LPF 并联交流阻抗Z f 对频率为仙的基波分量产生的相移&是确定的，可
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):
U^U^x ——%
Rm+R ”+Zf+Z
( 6)
( 7)
Ujcos^jU^inO=
_______UjoiRm
兔+R 厂jX 収-jXi
将式(1)按照傅里叶级数展开有如式(8)所示:
m
u 』£)=几移［(1-consn 仔)二 sin®』J
(8)
=1
'仔
当力二1时,电压信号基波分量二凹叱in 血,
仔
则比=
4x20 -25.46 V 且有式(9):
仔
0；=arctan
arctan (9)
1ZR ；
一般取漏电阻E 为1010 Q ，漏电容为10-12 F ,则
在 时，绝缘阻抗z 对基波分量产生的相移a 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1010 Q ,漏电容G 的数量级为
10-12 F 。

得到漏电流以及采样电阻R ”上的压降u
的波形如图5所示［13］。

为采集到G 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漏电流及压降u (。

仿真波形
图6所示为采样电阻R ”上的压降U©的基波分 量uQ 与原测试电源波形仿真图，其中蓝色曲线为Ul (t) 波形,红色曲线为测试电源电压波形问。

由仿真波形
图6可知,LPF 低通滤波器对基波分量w©的相位影
响较小,主要由绝缘阻抗决定。

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
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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。

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文，江苏南京：东南大学，2004:17-18,36-43.
作者简介：
曹建文(1975-),男，山西太原人，硕士研究生，副研究员，现就职于中国煤炭科工集团太原研究院有限公司智能控制技术分院，从事电力电子及煤矿自动化的研究。

(收稿日期：2020-9-23)
(上接第113页)
5结论
1)在无氧环境下，煤样热重曲线失重最快包括2个阶段：室温至200七左右是第1阶段，从398七~700七左右为第2阶段。

井下现场回采过程中，工作面采煤机截齿截割煤壁时产生的瞬间热量巨大，其瞬时温度可超过600J这一温度正好在第2阶段，此阶段产生的CO主要是煤分子中的某些共价键断裂产生的。

并根据上述研究成果，在高纯氮气载气流速为50ml/min时,CO产生量最高可达20.6x10亠。

因此，工作面采煤机截齿截割煤壁时引起煤分子中的某些共价键断裂，是工作面采煤过程当中CO产生的重要因素。

2)在空气环境下，煤样的CO产生量在一定温度范围之中会随着温度的升高呈线性增长。

在空气流速为50ml/min时,CO浓度在温度约为60七时达到了约49x10-6,而CO浓度在温度自60七降为25七期间约15x10"。

因此,在空气环境下，井下现场回采过程中工作面采煤机截齿截割煤壁时煤体因高温氧化作用将会生成CO,并且CO量值在15x10-6~49x 10-6范围内变化。

这也是回风隅角及工作面时有CO 异常超限的重要原因之一。

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作者简介：
郭青(1982-),男,2004年毕业于山西大学职业技术学院计算机应用专业，专科，工程师，从事通风管理工作，。

(收稿日期：2020-10-15)
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