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矿井电网选择性绝缘在线监测技术研究
更新时间:2023-08-08   点击次数:248次

漏电故障是由于带电导体对地绝缘下降到一定程度,漏电流增大到一定程度的漏电现象。漏电故障会使电网三相电压对地不对称,且中性点也会产生位移,并产生零序电压和零序电流。井下电网漏电分为分散性漏电和集中性漏电。分散性漏电是由于整条供电线路绝缘水平下降到一定程度造成的漏电;集中性漏电是由于电网三相电中的一相对地绝缘失效造成的漏电,这种漏电电流很大,对人危害也比较大。

矿井供电系统产生漏电故障的原因主要有检查不到位、操作不当、电缆绝缘层被破坏、电缆绝缘老化、电缆受潮、电气设备或电缆选择不当过载运行、电缆或开关设备过电压运行、电缆过长或开关过多造成的电网总绝缘水平下降、接头不牢、喇叭口封堵不严等。漏电故障需要停电维护处理,对生产造成严重影响,如果维修不及时也极易发生触电事故。如果造成通风机停机,将有可能造成瓦斯积聚而引起安全事故。

目前,煤矿井下应用的开关漏电保护装置应用不是十分可靠,偶尔会出现误动作的情况。由于电容电流补偿装置使电网保护装置不能正确选择出故障线路,并使非故障线路跳闸,影响煤矿供电安全,影响煤矿生产作业。本文设计了绝缘在线监测系统,不仅能监测整个电网的绝缘状态,而且能准确判断出故障线路,避免误动作的发生,可以取代预防性检修,提高了煤矿电网的安全性,研究意义重大。

1单相漏电时零序电压的变化规律

矿井电网各相对地绝缘与电网形成的节点网络,用节点电压法分析比较合理和方便。单相漏电示意图如图1所示,当图1中电路A相发生漏电时,其等效电路如图2所示。假设R为漏

漏电故障是由于带电导体对地绝缘下降到一定程度,漏电流增大到一定程度的漏电现象。漏电故障会使电网三相电压对地不对称,且中性点也会产生位移,并产生零序电压和零序电流。井下电网漏电分为分散性漏电和集中性漏电。分散性漏电是由于整条供电线路绝缘水平下降到一定程度造成的漏电;集中性漏电是由于电网三相电中的一相对地绝缘失效造成的漏电,这种漏电电流很大,对人危害也比较大。

矿井供电系统产生漏电故障的原因主要有检查不到位、操作不当、电缆绝缘层被破坏、电缆绝缘老化、电缆受潮、电气设备或电缆选择不当过载运行、电缆或开关设备过电压运行、电缆过长或开关过多造成的电网总绝缘水平下降、接头不牢、喇叭口封堵不严等。漏电故障需要停电维护处理,对生产造成严重影响,如果维修不及时也极易发生触电事故。如果造成通风机停机,将有可能造成瓦斯积聚而引起安全事故。

目前,煤矿井下应用的开关漏电保护装置应用不是十分可靠,偶尔会出现误动作的情况。由于电容电流补偿装置使电网保护装置不能正确选择出故障线路,并使非故障线路跳闸,影响煤矿供电安全,影响煤矿生产作业。本文设计了绝缘在线监测系统,不仅能监测整个电网的绝缘状态,而且能准确判断出故障线路,避免误动作的发生,可以取代预防性检修,提高了煤矿电网的安全性,研究意义重大。

1单相漏电时零序电压的变化规律

矿井电网各相对地绝缘与电网形成的节点网络,用节点电压法分析比较合理和方便。单相漏电示意图如1所示,当1中电A相发生漏电时,其等效电路如2所示。假R为漏电电阻,其并联到Z0上,破坏了电网对称性,产生零序电U0

img1 

img2 

img3 

img4 

这是一个极坐标方程,直径rUA/(3R+r),圆的直径随着不同rR而变化,但都通过相U0,圆柱内切于圆点。

2矿井电缆绝缘下降检测方法

目前绝缘下降检测方法主要有直流叠加法、直流分量法、直流成分法、电缆绝缘介损法、接地线电流、电缆绝缘在线检测、波电流方向原理法、低频重叠法等,根据分析对比,附加信号的方法比较适合煤矿井下电缆绝缘下降检测。附加直流信号方式工频供电造成的直流分量对附加信号有影响,使检测信号不易被检出。附加交流信号有高频信号和低频信2种。

矿井电网为中性点不接地的小电流接地系统,漏电流阻抗为容性,容性阻抗对于频率高的交流信号呈现阻抗减小的特性。因此,附加高频交流信号,漏电会区分不出附加的信号与检测信号。如果采用低频信号,容抗随附加信号频率的降低影响越发明显,而检测信号产生的漏电流不会受到影响。考虑容性电流的影响,本文采用线路上叠36V10Hz低频信号的测量方法。由于容性电流受频率降低的影响,但阻性电流变化不大,能够从测量的信号中区分出来,实现电流绝缘参数的在线监测。附加低频信号法的原理是在电网中附加一个低频信号源,其工作原理如3所示

img5 

低频电源产生的低频信号通过隔离变压器传送给三相电抗SKSK进入电网,再通过对地电C和绝缘电r流入大地,再与取样电R和保护电J形成回路。电流互感LH1LH2LH3获取相应的电流信号,通过计算处理,即可求得各个支路的电缆绝缘情况,从而进行故障选线操作。其等效电路如4所示。

img6 

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(14)计算获得绝缘电阻值,r比设置的门槛值小时,就可以判断该支路发生了绝缘下降故障,可以进行故障断电操作。

通过研究分析,该故障检测方法具有如下优点:当电网某支路发生绝缘下降故障时,该支路电流互感器能够采集到低频电流信号,绝缘正常的支路则不能采集到该信号,因此可以准确地判断出故障支路。动作门槛值只与低频信号和接地电阻有关,只要选择合适的电流信号,就能保证监测系统可靠动作。

3绝缘在线监测系统设计

绝缘在线监测系统核心板采SEED-DPS2812CPU150MHz;片SRAM256K×16位;片Flash256K×16位;最32K×8SPI串行接EEPROM;实时时RTC56NvRAM18580KSPS转换率的A/D20路带光电隔离开关量输(12~24V)18路带光电隔离开关量输(5~40V);隔离RS232/RS4851(隔离电2500V)1路标RJ45链接器1eCAN收发驱动,符CAN2.0协议;外3键盘;底板自主设计DIDO全部光电隔离;包含模拟量采集输入信号调理电路。低频电源设计采51系列单片机外D/A输出电路,产生交流低频信号;采50HzT型陷波器,功率放大等构成电源输出信号调理板。液晶DWIN64480010_WN。系统拓扑结构图如5所示。

自主研发信号调理模块,将漏电流变送器的输出信号放大、滤波,原理如6所示。设计采用超微晶电流互感器,电压形成回路、带阻滤波、放大电路、带通滤波组成模拟量采集信号调理板。自主研发信号处理单元,外部使16AD进行采样,能够对电流的微小变化进行处理。监测设备工作电压AC660V();输入视在功率250V·A;端口数量1(KT83-Z信号转换器传);传输方式:多主式CAN;传输速率5kb/s;传输距离4km(使MHYVR电缆MHYVP电缆,导线截面不小1.5mm2);通信信号的电压-峰值1.5~5V。分站通CAN总线连接KT83-Z矿用本安型信号转换器可实现低压电网实时诊断功能,并具备本地液晶显示功能。当被监测的低压电网支路绝缘电阻下降时,分站显绝缘下降报",进入报警状态,并将故障支路告知监控系统,实现故障区域判断,同时发出故障区域闭锁信息。当被监测的低压电网支路绝缘电阻恢复正常时,分站显绝缘良"

img8 

矿井电网线路保护监控平台软件旨在为用户提供动力电缆绝缘参数来进行在线监测,以及实现电网线路保护功能的各种界面。具有基本在线监测功能,包括多支路电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数等参数采集与显示。用户可以通过软件提供的界面设置任意保护整定参数,系统按照用户设置的整定值完成监测过程,并可按用户要求自动按间隔记录一次电网参数或者记录用户感兴趣的当前值。在发生漏电故(采集值大于设置整定)时,软件具有报警及实时记录故障数值的功能。具备手动设置功能和绝缘在线监测警戒阈值、选择性漏电保护整定值、短路保护整定值的设置功能。具备漏电保护选线功能,可显示故障支路号。具备对地绝缘电阻显示功能,提供外配设备接入支持。此外,还具备完善的数据管理、组态显示和打印功能。

4试验测试

MATLAB/Simulink的电力系统模块(PowerSystemBlockset)中的模块,进RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统仿真模型搭建。搭建的仿真模型主要包括电源模(Three-Phase Source)、变压器模(Three-PhaseTransformer)、负载模(Three-PhaseSeriesRLCLoad)、电流表模 (CurrentMeasurement)、滤波(ButterworthFilter)和示波器模(Scope)等。在动力电缆上模拟套接的高灵敏度电流互感器检测电源信号的波形,区分故障支路与非故障支路,从而达到有选择性地切断故障支路的目的。更换所选模块的参数,模拟零序电流互感器检测的工频电流与非故障支路检测到的电流。设置不同煤矿动力电缆仿真参数,模拟仿真动力

电缆绝缘参数在线监测系统。建立煤矿井下低压电网仿真模型,如7所示。

img9 

采用高精度动力电缆故障测试系统、大电流发生器、动力电缆绝缘漏电检测装置、矿用屏蔽通信电缆等组建矿井电缆对地绝缘值测试系统。总馈电漏电保护通过直流电源对地检测来完成,当对地绝缘电阻小到一定值时开关漏电闭锁,开关正常工作后,负载侧线路当对地漏电电阻小到一定值时,开关将快速动作,动作时间200ms范围内,此动作时间会大于分馈电工作状态时50ms,使得总、分馈电纵向漏电保护的时间错开,在分开关负载侧漏电时,总馈电不至于误动作。

总馈电的负载1K漏电试验时,首先按下总馈电试验柜表盘上的按钮选0.22μF0.47μF1.0μF对地电容,选择对地电容大说明线路长,当按1K漏电试验按钮后,可以观测到对地漏电电流和开关动作时间,电流和时间的乘积由于被试开关的三相电抗器具有对电容电流的补偿功能而不应大30mA·s,从试验当中可以看出开关的负载线路不宜过长,线路过长会引起漏电流增大,增大人身触电的危险性。总馈电的负载侧漏电不能引起其负载侧的任何一路分馈电的动作。

试验结果表明,无论对于单条支路绝缘下降、漏电故障,还是分散性绝缘下降、漏电故障,如果单纯地采用传统的、利用母线电流故障特征量作判据的选择性漏电保护都有一些局限性。采用基于低频叠加法的零序功率方向型的差动选择性漏电保护技术,能够准确识别故障特征,正确反映故障类型,达到在线获取电缆绝缘参数并将漏电故障及时排除于萌芽阶段的目的。

5绝缘监测及绝缘故障定位产品

5.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪

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AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场IT配电系统中,主要包AIM-T300AIM-T500AIMT500L三款产品,均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

AIM-T300适用450V以下的交流、直流以及交直流混合系统AIM-T500适用800V以下的交流、直流以及交直流混合系AIM-T500LAIM-T500增加了绝缘故障定位功能。

5.2绝缘故障定位产品

img11 

工业用绝缘故障定位产品配AIM-T500L绝缘监测仪使用,主要包ASG200测试信号发生器AIL200-12绝缘故障定位仪AKH-0.66L系列电流互感器,适用于出线回路较多IT配电系统。

5.3绝缘监测耦合仪

img12 

绝缘监测耦合仪配AIM-T500绝缘监测仪使用,主要包ACPD100ACPD200,适用于交流电压高690V,直流电压高800VIT配电系统。

6技术参数

6.1绝缘监测仪技术参数

型号

技术指标

AIM-T300

AIM-T500

AIM-T500L

辅助电源

电压

AC 85~265V;DC100~300

AC 85~265V;DC100~300

功耗

8W

8W

被监IT系统

电压

480V以下的交流、直流以及交直流混合系统

690V以下的交流及交直流混合系统800V以下直流系统

频率

40~60Hz

40~60Hz

绝缘监测

测量范围

1kΩ~5MΩ

1kΩ~10MΩ

报警值范围

10kΩ~5MΩ

10kΩ~10MΩ

相对误差

1~10k: 10k10k~5M: ±10%

1~10k: 10k10k~10M: ±10%

允许系统泄露电容

<150μF

<500μF

响应时间

<6s

<5s

通讯

RS485Modbus-RTU

RS485Modbus-RTU

RS485Modbus-RTU

内部参数

测量电流

<170μA

<270μA

绝缘故障定位

电磁兼/电磁辐射

IEC61326-2-4

IEC61326-2-4

额定冲击电/污染等级

8kV/

8kV/

内部直流电阻

120kΩ

180kΩ

输出

继电器输出

预警、报警

出错、预警、报警

环境

工作温度

-20~+60

-15~+55

存储温度

-20~+70

-20~+70

相对湿度

5%~95%,不结露

5%~90%,不结露

海拔高度

2500m

2500m

6.2测试信号发生器技术参数

辅助电源

电压

AC 85~265V DC100~300V

功耗

<7W

IT系统

额定电压

单相交AC 220V

三相交 AC 0~690V

DC 0~800V

绝缘故障定位

响应时间

<5s

定位电压

20V/5Hz

定位电流

0~10mA

环境

电磁兼/电磁辐射

IEC61326-2-4

工作温度

-15-+55

6.3绝缘故障定位仪技术参数

辅助电源

电压

AC 85-265V DC100~300V

功耗

<5W

绝缘故障定位

响应时间

<12s

定位电压

定位电流

响应灵敏度

>0.5mA

输出

继电器输出

Alarm

环境

电磁兼/电磁辐射

IEC61326-2-4

工作温度

-15-+55

6.4 AKH-0.66L系列电流互感器技术参数

型号

额定电流

变比

等级

过载倍数

L-45

16-100A

5A5mA

1

10

L-80

100-250A

L-100

250-400A

L-150

400-800A

L-200

800-1500A

6.5绝缘监测耦合仪技术参数

产品型号

ACPD100

ACPD200

适用系统

单相交、直流不接地系统

三相交流、直流不接地系统

电压等级

0~1150V,直0~1760V

0~1650V,带直流元0~1300V

直流阻抗

160kΩ

AK1225kΩ

工作温度

-10~+55

存储温度

-20~+70

防护等级

IP30

7结语

通过分析供电系统发生接地故障后的各种故障信息及其特征规律,对常用的各种算法进行比较评价,在此基础上研究动力电缆绝缘参数在线监测的方法,提出用附加低频信号电源的方法进行动力电缆绝缘参数在线监测的方案,建立动力电缆分布参数数据库,利用零序功率方向原理实现供电系统接地保护。绝缘在线监测系统能在电网处于工作状态下对电缆绝缘状况进行在线监测,不仅能够监测整个系统的绝缘水平,而且可以监测每一分支电缆的绝缘状况,大大提高电网安全运行水平,取代预防性检修,将由绝缘薄弱引发的故障现象消灭在萌芽状态,具有重大意义。

参考文献:

.       李忠.煤矿井下低压电网谐波检测分析装置研[J].电子设计工,201725

.       李忠.煤矿井下静止无功补偿装置的应用研[J].煤炭技术201736(2):236-23

.       安科瑞企业微电网设计与应用手.2020.6版;

.       安科IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统(中英文2020.01


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