煤矿高压电缆绝缘在线监测研究_王永升

　第４２卷第６期　２

０１６年６月工矿自动化

Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　

ａｎｄ　Ｍｉｎｅ　ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＶｏｌ．４２Ｎｏ．６　

Ｊｕｎ．２０１６　

文章编号：１６７１－２５１Ｘ（２０１６）０６－００６５－０５ ＤＯＩ：１０．１３２７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１ｘ．２０１６．０６．０１６王永升，李晓娜，赵国栋，等．煤矿高压电缆绝缘在线监测研究［Ｊ］．工矿自动化，２０１６，４２（６）：６５－

６９．煤矿高压电缆绝缘在线监测研究

王永升１，　李晓娜１，　赵国栋２，　彭启轩３，　梁睿

１

（１．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州　２２１００８；２．

江苏省电力公司扬州检修分公司，江苏扬州　２２５０００；３．江苏省电力公司徐州供电公司，江苏徐州　２２１００５

） 摘要：

分析了煤矿高压电缆出现水树枝老化、电树枝老化和整体均匀劣化下的电气特性，采用小波消噪技术和基于正交分解的信号分离技术进行接地线电流噪声处理，通过接地线电流的变化趋势和设定阈值来判断电缆是否发生绝缘劣化。Ｍａｔｌａｂ仿真结果表明，研究各条线路的绝缘参数变化与相应接地线电流不同分量的关系，可实现对煤矿高压电缆绝缘在线监测特征信号的提取。

关键词：煤矿高压电缆；电缆绝缘；接地线电流；在线监测；小波消噪

中图分类号：

ＴＤ６０８ 文献标志码：Ａ 网络出版时间：２０１６－０６－０１　１０：３２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６２７．ＴＰ．２０１６０６０１．１０３２．０１５．ｈｔｍｌＲｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｏｎｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｂｌｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ１，　ＬＩ　Ｘｉａｏｎａ１，　ＺＨＡＯ　Ｇｕｏｄｏｎｇ２，

　ＰＥＮＧ　Ｑｉｘｕａｎ３，　ＬＩＡＮＧ　Ｒｕｉ　１（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） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｂｌｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙ

ｚｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆｗａｔｅｒ　ｔｒｅｅ　ａｇｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｔｒｅｅ　ａｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ．Ｗａｖｅｌｅｔ　ｎｏｉｓｅ　ｃａｎｃｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｌｉｎｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｒｅｎｄｓ　ａｎｄ　ｓｅｔ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｌｉｎｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗｅｒｅｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｃａｂｌｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ　ｏｃｃｕｒｓ．Ｍａｔｌａｂ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ－ｌｉｎｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｎａｂｌｅｓ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｏｎｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｂｌｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｂｌｅ；ｃａｂｌｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ；ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｌｉｎｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ；ｏｎｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｗａｖｅｌｅｔ　ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ收稿日期：２０１６－０１－１８；修回日期：２０１６－０４－

２５；责任编辑：胡娴。作者简介：王永升（１９９０－），男，山西大同人，硕士研究生，主要研究方向为电气设备绝缘在线监测，Ｅ－ｍａｉｌ：１０２８７１３９６２＠ｑｑ

．ｃｏｍ。０　引言

煤矿井下环境恶劣，电缆绝缘层极易出现水树枝、电树枝等问题，导致电缆老化加速，绝缘水平降低，从而易发生各种接地故障，甚至出现间歇性电弧。当井下瓦斯浓度达到一定程度时，电弧的出现

可能导致瓦斯爆炸，对矿井安全生产运行造成严重

威胁［

１］。因此，研究煤矿电力电缆的绝缘劣化［２－

３］、对劣化过程进行在线监测具有重大意义。目前，应用前景广阔的电缆绝缘在线监测方法主要包括直流叠加法、直流分量法、介质损耗因数法、低频注入法、

谐波分量法［

４］

等。本文提出一种基于接地线电流去

噪处理的煤矿高压电缆绝缘在线监测方法。该方法根据煤矿１０ｋＶ配电网中电缆发生绝缘劣化时不同时期的参数变化特征，采用小波消噪和正交分解技术实现接地线电流噪声处理，从而准确识别电缆劣化情况。

１　电缆绝缘水平与接地线电流的关系

参考文献［５］对绝缘劣化造成的绝缘电阻和分布电容的变化规律进行了实验验证，得到了以下结论：电缆绝缘劣化早期，分布电容呈现波动变化且逐渐增加；绝缘等效电阻在绝缘劣化的中后期逐渐减小。分析电缆的结构能够看出，绝缘等效电阻和分布电容的变化会引起电缆线芯与金属屏蔽层之间绝缘物质ＸＬＰＥ的变化，从而使接地线电流发生变化。绝缘物质劣化过程中，不同的参数变化规律引起的接地线电流波形变化不同，据此可以进行劣化类型的识别。图１给出了绝缘参数变化与电缆劣化不同时期对应的变化关系

。

图１　绝缘参数变化与电缆劣化不同时期对应的变化关系

Ｘ

ＬＰＥ电缆导体线芯和金属屏蔽层间的绝缘能够等效成无数个绝缘电阻与分布电容并联组成的参

数网络，该参数网络的阻抗大于等于１００ＭΩ［６］

。

因此，可以把电缆的绝缘状态等效成电阻、电容并联的参数模型。在煤矿配电网的拓扑结构中，屏蔽层广泛采用一端直接接地方式，因此，本文重点研究该种运行方式下的电力电缆绝缘在线监测技术。

从理论分析来看，ＸＬＰＥ电缆金属保护层的接地线电流Ｉｊ包含电容电流Ｉｃ、磁感应环流Ｉｉ及泄漏电流Ｉｒ，在电缆绝缘状态正常的时候，泄漏电流Ｉｒ非常小，在工程计算过程中常常忽略。针对电缆金属保护层单端接地的情况，磁感应环流Ｉｉ约等于零，则接地线电流为

Ｉｊ＝Ｉ

ｃ＝ω　

ｌＣ０Ｕ＝ω　

ｌＵ２πｅ０

ｅｌｎ（Ｄ１／Ｄ２

）（１）式中：ω为系统角频率；ｌ为电缆长度；Ｃ０为单位长

度电缆的电容量；Ｕ为电缆线芯的对地电压；ｅ０为真空介电常数；ｅ为电缆主绝缘的相对介电常数；

Ｄ１，Ｄ２分别为电缆绝缘层的外径和线芯直径。

从式（１）能够看到，接地线电流的大小正比于电缆的对地分布电容。若电缆产生局部绝缘缺陷或者整体均匀劣化，会使得绝缘内部的空间电荷量以及极性基团量有所增加，并且加强了松弛极化。绝缘介电常数的极化率ε增大，等效为电缆绝缘的对地电容增大，相对应的电缆单端的接地线电流也加大，所以对于单端接地的电缆而言，可以利用接地线电流变化曲线来判断是否发生绝缘劣化。

在电缆金属保护层两端接地及交叉互联结构中，接地线电流Ｉｊ是电容电流Ｉｃ和磁感应环流Ｉｉ的矢量和，Ｉｊ的大小介于Ｉｉ，Ｉｃ的代数差与和之间。电缆交叉互联结构中的接地线电流计算特别繁琐，而电缆金属保护层采用单端接地方式时，一般是Ｉｉ远大于Ｉｃ，

采用近似计算可得Ｉｊ＝Ｉ

ｉ＝ＥＡ（Ｒ＋Ｒ１）２＋Ｘ槡

２≈ＥＡ

Ｒ＋Ｒ１（２）Ｒ＝ｌρＳ

１＋α（θη－２０［］）（３

）式中：ＥＡ为Ａ相电缆线芯上流过的电流在Ａ相电

缆金属保护层上引起的感应电动势；Ｒ１为感应电流回路中除掉电缆金属保护层后的等值电阻，包括了接地线电阻、电缆两端接地引下线之间的接触电阻及有关的导通电阻等；Ｘ为电缆金属保护层的自感抗；ρ为电缆金属层材料的电阻率；

Ｓ为电缆金属层的截面积；α为材料的温度系数；θ为电缆线芯导体的工作温度；η为电缆金属保护层的温度相对于导体温度的比率，其值与绝缘热阻有关。２　典型绝缘劣化类型的电气特征分析

２．

１　水树枝引起的绝缘劣化自从学者发现电缆绝缘劣化和水树枝增长的正比例关系后，目前已经普遍认为水树枝的出现是电

缆绝缘开始劣化的标志［

７］

。由于水树枝的尖部会有高强度电场产生，导致水树枝在电缆绝缘层中不断扩展，并且渐渐演变为电树枝，出现大面积的贯穿，然后绝缘层的电树枝引发绝缘击穿，即间歇性高阻接地故障。整个劣化至击穿过程呈现随机性变化。

在电缆的水树枝发展过程中，绝缘电阻的变化是非线性的，同时水树枝的产生会引起绝缘电阻的下降和等效电容的增加。但是对于接地线电流，在此过程中绝缘电阻降低引起的变化很不明显，接地线电流增加主要是由于分布电容变化引起的，故通过模拟分布电容的非线性变化来等效电缆的水树枝发展趋势。

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６６·工矿自动化

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０１６年第４２卷