矿用高压电缆绝缘在线监测方法.pdf

第 4 3卷 第 4期 2 O l 7年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 4 AD r ． 2 01 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 l 7 0 4 0 0 6 0 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 1 4 张潇 ， 王彦文 ， 赵永梅 ， 等． 矿用高压电缆绝缘在线监测方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 4 6 0 6 3 ． 矿用高压电缆绝缘在线监测方法 张 潇 ， 王彦 文 ， 赵 永梅 ， 侯 丽楠 ， 白树 君 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 为 了 实时监 测矿 用 高压 电缆 的 绝缘 状 态， 提 出 了一 种基 于广 域 测量 系统 WAMS 的矿 用 高压 电 缆 绝缘 在 线监 测方 法 。该方 法利 用 WAMS实时 同步获 取 电缆 线路 首 末 两 端 的 电压 和 电 流 ， 通 过 建 立 电缆 线路 对地等 效 电路模 型推 导 出电缆 的绝缘 电阻 、 等 值 电容 ， 从 而动 态监 测 电 缆 的绝 缘 状 态 。仿真 结果 表 明 ， 该 方 法测 量精 度 满足矿 用 高压 电缆 绝缘在 线 监测要 求 ， 且 随 着电缆 绝缘 劣化 程度 增加 ， 该 方 法测量误 差逐渐 减 小 。 关键 词 高压 电缆 ；电缆 绝缘 ；绝缘 劣化 ； 在 线监 测 ；广域 测量 系统 中图分类 号 TD6 1 1 文献 标 志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 7 - 0 3 2 8 1 7 3 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 3 0 ． 0 1 4 ． h t ml On l i n e mo n i t o r i n g me t h o d o f mi ne us e d hi g h v o l t a g e c a b l e i ns u l a t i o n ZHANG Xi a o ， WANG Ya n we n ， ZHAO Yo n g me i ， HOU L i n a n， BAI S h u j u n Sc ho ol o f M e c ha n i c a l El e c t r on i c a nd I n f or ma t i o n En gi ne e r i ng，Chi n a Uni v e r s i t y of M i n i ng a nd Te c h n o 1 o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o m o ni t or i ns u l a t i o n c o nd i t i o n of m i ne us e d hi g h v ol t a g e c a bl e i n r e a l t i me， a n o nl i ne m o ni t or i n g me t h od of m i ne u s e d hi gh v ol t a ge c a bl e i n s u l a t i o n b as e d o n wi de a r e a m e a s u r e me nt s y s t e m W AM S wa s p r op os e d． I n t he me t h od，r e a l t i m e v o l t a g e a nd c ur r e n t of c a b l e e n ds a r e ob t a i n e d s y nc hr o no us l y b y us e o f W AM S，a nd i ns ul a t i o n r e s i s t a nc e a n d e qu i v a l e nt c a pa c i t a n c e o f c a bl e a r e de r i v e d t hr ou g h e s t a bl i s hm e nt of e q ui v a l e n t c i r c ui t mod e l o f c a bl e t o gr ou nd，S O a s t o r e a l i z e d y na mi c mo ni t or i n g o f c a b l e i ns u l a t i o n c o nd i t i on．The s i m ul a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t m e a s ur e me nt e r r o r of t he me t ho d d e c r e a s e s wi t h i nc r e a s e of c a bl e i ns ul a t i on d e t e r i or a t i on，whi c h m e e t s pr e c i s i o n r e q ui r e m e nt o f on l i ne mo ni t or i n g o f m i n e u s e d hi g h vo l t a g e c a b l e i ns u l a t i o n． Ke y wo r d shi gh v ol t a g e c a b l e； c a b l e i n s u l a t i o n； i n s u l a t i o n a ge i ng； onl i ne m o ni t or i n g； wi de a r e a m ea sure m ent s yst e m 0 引言 矿 用 高压 电缆 长期 位 于 阴暗 潮 湿 、 腐 蚀性 强 的 井下 ， 工作环境恶劣 ， 易发生 电缆护层被腐 蚀 的情 况 ， 加 速 电缆 绝 缘 老化 ， 且 煤 炭 开采 过 程 中 的拖 曳 、 挤 压及 冒落 、 片 帮事故 都 会使 电缆 受损 。 当电缆 破 损点 与大 地构 成 通 路 时形 成单 相 接 地 故 障 ， 可 能 产生 电弧 引爆 粉 尘 和 瓦 斯 ， 或 者 引 起 矿 井 火 灾[ 4 6。 因此 ， 对 矿用 高压 电缆 的绝缘 状 态进 行实 时监 测 ， 实 现绝 缘劣 化预 警 ， 可 以从 很 大 程 度 上 保 障 煤 矿 安 全 生产运 行 j 。现 有 的 电缆 绝缘 在线 监 测方法 存 在 诸 多 问题 局部放 电法现 场测 量 困难 ， 而且不 适 用于 煤 尘 和有 害 气 体 弥漫 的煤 矿环 境 l 8 ] ； 直 流叠 加 法 需 要 附加电源， 且只能测量电缆对地绝缘电阻， 不能测量 收稿 日期 2 0 1 6 1 2 l 3 ； 修 回日期 2 0 l 7 0 3 ～ 1 3 ； 责任 编辑 盛男 。 基金项 目 中国矿业大学 北京 横 向科研项 目 2 0 1 5 2 0 7 0 1 0 2 2 6 。 作者简 介 张潇 1 9 9 2 一 ， 男 ， 河南平 顶 山人， 硕 士研究 生 ， 主要 研究方 向为电力 系统及 其 自动 化、 高 电压技术 与绝 缘 ， E ma i l 8 9 7 2 7 0 7 0 9 qq．C OI I 。 2 0 1 7年 第 4期 张 潇等 矿 用高压 电缆 绝缘在 线监 测方 法 6 1 电缆对地分布电容 ； 接地线电流法与介质损耗法 采用经验数值评估 电缆绝缘状态I 1 u ] ， 不够直观、 准 确 。鉴 此 ， 本 文 提 出 了 一 种 基 于 广 域 测 量 系 统 Wi d e Ar e a Me a s u r e me n t S y s t e m， WAMS 的矿 用 高压电缆绝缘在线监测方法 。该方法利用 WAMS 同步采 集矿 井 电缆 线路 首 末 两 端 的 电压 和 电流 ， 并 通过建立电缆线路对地等效电路模 型， 计算表征 电 缆 劣化 状态 的绝 缘 电 阻和 等 值 电 容 ， 从 而 准确 诊 断 电缆绝 缘 劣化情 况 。 1 基 于 WA MS的 电缆 绝缘 在线 监测 原理 目前 ， 中 国煤矿 供 电系统 各 高 压 配 电设 备 的数 据 采 集 方 式 主 要 为 就 地 采 集 、 相 互 独 立 、 互 不 通 信[ 7 ] ， 不 能 同步获 取全 网系 统 的运 行数 据 ， 无 法 监测 整个 电力 网络 的 运 行 状 态[ 1 2 - 1 3 ] 。WAMS可 在 同 一 个时间框架中， 实时同步采集煤矿供 电系统各支路 的数 据信 息[ 1 ， 并 在 线 分 析 数 据 ， 实 现 全 网运 行 状 态测 量功 能 引。本文 基 于 WAMS实时 同步采 集 位 于不 同电缆线 路高 压隔爆 开关 内的 电压 、 电流数据 ， 通过构建高压电缆对地等效 电路模型处理数据r 9 ] ， 计算可以反映电缆绝缘状态的绝缘 电阻、 等值 电容 的实时值 ， 在线监 测煤矿 供 电系统 各 电缆 的绝 缘 状 态 。 基于 wAMS的矿用高压电缆绝缘在线监测系 统架构如图 1所示 ， 主要 由 4个单元组成 ① GP S 单元 。由卫星提供全 网系统的同步时钟信号 ， 是建 立 同步 时 间系统 的基 础 。② 相量 测 量 单元 P h a s o r Me a s u r e me n t Un i t ， P MU 。P MU同步采集实时电 压 、 电流数据并上传至子站数据集 中器 ， 再通过主站 数据集 中器记录数据并传输 至控制 中心 。③ 通信 网络 。通过 光纤 建 立数 据 传 输 通 道 ， 实 现全 网数 据 互 联 。④ 控 制 中 心 。汇 总各 处 P MU 传 输 的 数 据 并在线 分 析 ， 及 时 形 成 保 护 和 控 制 策 略 ， 是 系 统 的 核心 。 控忡 图 1 基于 WA MS的矿 用高压电缆绝 缘在 线监 测系统架 构 2 电缆 线路 对地 等效 电路 模型 假 设 电缆 单位 长 度 的 阻抗 和导 纳 分 别 为 一 r 。 j w l 。 和 Y 一g 。 j 0 9 C 。 ， 其 中 为 电缆 线 芯 单 位 长 度等 效 电阻 ， z 。 为 电缆 线 芯单 位长 度等效 电感 ， g 。 为电缆单位长度绝缘 电导 ， 为电缆单位长度等值 电容 ， 为 角频率 。电缆线 路首 端 电压 为U 、 电流为 I ； 距 电缆 线路 首 端 长 度 为 z处 电 压 为 、 电 流为 J ； 电缆 线路 末端 电压 为u 、 电流 为I ； 电缆 线路 长 度 为 2 z 。取 d x为 长 度 微 元 ， 距 电缆 线 路 首 端 长 度 为 zd x处 的 电压 为【 ， d U 、 电 流 为 J d I 。 单相 电缆 线路对 地 等效 电路模 型如 图 2 所 示 。 当输 入 电压为 正弦 ， 单相 电缆 线路 达到 稳态 时 ， 略去 高 阶微小 量 ， 可得 d z微 段 上 流过 阻抗 z d z的 电压 d 【 ， 和导 纳 Y d x的电流 d J 为 l d J 一 y 1 U d z 式 1 对 z求 导可得 f d U ／ d x 一 z 1 Y 1 U 【 d I x ／ d x 。 一 1 Y 1 I 设定电缆线路的特性阻抗为 ， 一 ／ z ／ y 。 ， 电缆 线路的传播常数为 z 一 ／ y 。用 1和 z 表示 式 2 ， 并对其 求解 可得 一 Zc s i n h 1 x 将 z 一 2 l 代 入 式 3 ， 可 得 电 缆 线 路 末 端 电 压 U 。 和 电流 J 为 ] 『 c 。 s h 2 1 1 一Z c s in h 2 1 1 ] ] 。j 一 1一 。 h 2 1／ f j 6 2 工矿 自动 化 2 01 7年 第 4 3卷 由式 4 可 得 电 缆 线 路 的泄 漏 电流 △． r 和 电压 降 △ u为 』 △ j _ j 2 一 s in h 2 y 2 j 1S y f㈦ △uU1 一U2 2 U1 s i n h 7 1 Z I1 s i n h 2 y 1 同理 ， 可得 电缆 线路 首端 电压 U。 和 电流 J 为 【-c osh 27／ 。s inh27,／h 2y1 ㈤ j l cos j 由式 6 可得 电缆 线 路 的 泄 漏 电流 △I和 电 压 降 △ 为 』 △ j j j 。 一 -- Z-z s in h 2 7 1 q - 2 i z s in y f l △ 【 ， 一U】 一U 2 一一2 U 2 s i n h 7 1 Z I 2 s i n h 2 7 ／ 将 式 7 与式 5 相减 可得 f Z s i n h 2 r ／ J l J 2 一 2 s i n h U1 U2 I 2 Z s i n h J 1 I 2 一 s i n h 2 【 ， 1 一U2 z 一一 _ 一 9 由式 9 计 算 可得 电缆绝 缘 导纳 为 y 一 2 l 一 一 二 1 0 使 用 WAMS同步获 得 电缆 线 路 首末 两 端 电压 和 电流 ， 依 据式 1 O 计算 电缆绝 缘导 纳 ， 从而 推导 出 电缆 的绝缘 电阻 R 和等值 电容 C 为 R 一 1 ／ Re Y 1 1 C I m Y】 ／ 2 7 c - 厂 1 2 式 中 厂为频率 。 3 仿真 验证 以型号 为 Y J V一 8 ． 7 ／ l O k V 的 交联 聚 乙烯 绝缘 聚 氯 乙烯 护套 的电缆 绝 缘 劣 化 过 程 为研 究 对 象 ， 采 用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k建立 矿用 高压 电 缆绝 缘 在 线监 测 仿真模 型 ， 如 图 3所 示 。电 缆线 路 总 长 1 ． 8 k m， 取 每 3 0 0 m 电 缆 线 路 为 一 段 ， 每 段 采 用 T 参 数 模 型 。图 3中 ， 模块 Z 1 一 Z 1 8为 每 段 电缆 绝 缘 电 阻 和 等 值 电容 的 并 联 结 构 ， 模 块 RI 卜～ RL 3 6为 每 段 电 缆 线 芯 等 效 电 阻 和 等 效 电 感 的 串 联 结 构 ， 模 块 Th r e e P h a s e S o u r c e为 煤 矿 供 电 系 统 的 i 相 电 压 源 ， 模 块 Th r e e P h a s e S e r i e s R I C I o a d为 电 阻 负 载 ， 电 缆 绝 缘 劣 化 的 分 析 、 计 算 过 程 封 装 在 I n s u l a t i o n P a r a me t e r模 块 中 。仿 真 模 型参 数 由 电 缆结 构参 数计 算得 出 电缆 线 芯 单 位 长 度 等效 电 阻 r 0 3 ． 2 8 1 0 ～ a／ m， 电缆 线 芯 单 位 长 度 等效 电感 Z 。 一2 ． 1 3 81 0 H／ m， 电 缆 单 位 长 度 绝 缘 电 导 g 。 一1 ． 3 9 7 1 0 S ／ m， 电 缆 单 位 长 度 等 值 电 容 C 。 一1 ． 9 7 1 l O 。 F ／ m。经计 算 得 出 每段 电缆 线 芯 等 效 电 阻 为 9 ． 8 4 MQ， 每 段 电缆 线 芯 等 效 电感 为 6 4 ． 1 4 H， 每 段 电缆 绝 缘 电 阻 为2 3 8 ． 6 1 MQ， 每 段 图 3 矿用 高压 电缆绝缘在线监测仿真模型 2 0 1 7年 第 4期 张 潇等 矿 用高压 电缆绝 缘在 线监 测方 法 6 3 电缆等值电容 为 5 9 ． 1 3 n F。 部受损时不同程度的劣化状态 ， 仿真结果见表 1 。 利用仿真模型模拟矿用高压 电缆整体受潮和局 表 1 电缆线路不 同绝缘状态仿真结果 从 表 1可看 出 ， 无论 电缆 线 路 属 于整 体 受 潮 还 是局部受损， 提 出的基于 WAMS的矿用高压 电缆 绝 缘在 线监 测方法 均 能 以较 高 的精度 推导 出 电缆 线 路 的绝缘 电阻 和等值 电容 ， 且绝 缘受 损越严 重 ， 测量 误 差越 小 ， 完全满 足 矿 用 高压 电缆 绝 缘 在线 监 测 的 精度要 求 。 4结语 提出了一种基于 WAMS的矿用高压 电缆绝缘 在线监 测方 法 。该方 法 通过 WAMS实 时 同步获 取 电缆 线路 首末两 端 的 电压 和 电流 ， 通 过 电缆线 路 对 地等效电路模型推算出直接反映电缆绝缘劣化状态 的绝缘 电阻和等值 电容。该方法能够完整监控、 记 录煤 矿供 电系 统各 电缆 的电气参 数 ， 并 在 线分 析 、 评 估矿用高压 电缆的绝缘状态。 参考文献 [1 ] [2 ] [ 3] [ 4] 雷志鹏 ， 宋建 成 ， 孙 晓斐 ， 等． 矿 用高 压电缆 局部放 电 测量传感 器 的研 究 及 应用 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 8 1 2 2 2 6 5 2 2 7 1 ． 董爱华 ， 刘增 印 ， 耿新 林 ， 等． 煤 矿井 下动力 电缆绝 缘 在线 监 测 的 研 究 [ J ] ．控 制 工 程 ， 2 0 1 3 ， 2 0 5 8 73 - 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