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[摘 要]开展对煤矿井下电缆线路绝缘监测方法研究,对实现电缆故障的实时监测有重要意义.本文对低频电流法在线监测电缆绝缘情况的方法进行理论上研究及硬件上的改进,设计出基于TMS320C6203B的新型井下动力电缆在线监测方法.

中图分类号:TH165+.3 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)46-0012-02

1.前言

煤矿供电的安全可靠性对煤矿的生产具有重要作用,一旦煤矿供电系统出现故障就会使供电中断,不仅影响煤矿的正常生产,还会发生人身伤亡或设备的严重受损.通过理论上的研究及硬件上的改进,找出实现电缆故障实时监测的有效方法.这对提高煤矿供电的安全可靠性、煤矿的生产效率以及保护工人生命安全有重要意义.

2.井下动力电缆绝缘下降机理分析

井下电缆中主要存在着水树枝.水树枝是交联聚乙烯电缆进水时,因电场作用,在绝缘体内形成树枝的现象,它会使电缆的绝缘性能下降.

2.1 介质损耗与水树枝的关系

高电压电场中,因绝缘材料的介质极化和介质电导的滞后效应,绝缘材料的介质内部会有能量损耗,称之为介质损耗.介质损耗会加速绝缘材料老化,并使其温度升高,长时间的高温会导致绝缘材料的热击穿从而使绝缘材料失去绝缘性能.故介质损耗是衡量绝缘材料绝缘性能的重要参数.聚乙烯电缆的绝缘结构可用电容和电阻的并联来等效[1,2],如图1.

图2所示向量图,损耗因数是施加在绝缘系统上的电压与流过绝缘系统的电流之间夹角的余角正切值,能反映绝缘材料的绝缘特性,此数值与绝缘材料&#

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30340;形状和尺寸无关.介质损耗能较好的反应绝缘材料的整体绝缘性能,可判断设备的整体受潮或介质的整体劣化等缺陷.对于局部性缺陷介质损耗也会有一定参考价值.

据相关研究,6kV电压级交联聚乙烯电缆的水树枝长度与的关系:电缆绝缘值随水树长度的增加而增大.水树枝的形成能影响电缆对地绝缘情况的变化、介质损耗的增加,找出能检测值的方法,据上面公式可估算电缆对地的绝缘情况.

2.2 XLPE电缆的击穿过程

现在井下供电电缆大部分是交联聚乙烯电力电缆(XLPE).运行经验及研究表明,树枝状老化(水树枝、电树枝)是XLPE电力电缆绝缘破坏的主要过程.研究和实践也发现,水树枝的形成必须存在一个很不均匀的场强,只要电缆绝缘体中有水树枝或电树枝,则绝缘层的强度下降,介质损耗增大,最终将导致击穿.只要能实时监测由电缆的水树枝引起的介质损耗的增大,就可实时监测电缆的绝缘程度.


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3.低频电流法原理

图3低频电流法原理图,低频电流法是在三相交流电网中叠加一个频率较低的电压源信号.电源U通过隔离变压器和三相电抗器进入电网中.电流流经电网每条支路对地的分布总电容C和对地绝缘总电阻R,再通过大地形成闭合回路.利用霍尔传感器感应出相应支路的电流信号,通过对低频电压、低频电流信号进行处理与计算,即可求得电缆对地的分布电容和绝缘电阻等绝缘参数,从而实现线路绝缘参数的在线监测.


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第一条支路绝缘参数检测等效电路图如图4 ,其中是隔离变压器阻抗、SK是三相电抗器阻抗、是线路阻抗、,为单支路三相线路对地的总电容和总电阻.

计算整理得到

其中U为低频电压有效值;I为低频电流有效值;为低频电压与低频电流的夹角;为角频率.

同理可求出另外支路对地的总电容和总电阻、.其中n为1、2、3、等.

当发生支路接地故障时,等效电路如图5隔离变压器阻抗、三相电抗器阻抗、线路阻抗等其阻性部分的阻值不能再被忽略,一般它们的值是不变的,可等效为,设发生故障时支路对地的绝缘电阻为Rg,对于660V低压井下电缆来说Rg不得低于,得.

由上可知求出电缆对地分布电阻分布电容的关键是求出流经电缆电流和电压之间的夹角.试验证明此法对未贯穿的水树枝造成的绝缘性能下降有很好的监测效果.容性电流过会淹没电缆因为绝缘电阻减小而产生的电流.而单纯的直流电源又无法监测电缆的介质损耗角无法评估电缆的整体绝缘情况.采用20V到30V之间的电压值是为了保证电缆绝缘性能降低时有足够的响应电流,避免电压过大对电网和负载产生影响.

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对井下电缆来说聚乙烯电缆的绝缘老化主要因为绝缘层中水树枝的存在,低频电流叠加法较适合这种原因所引起电缆老化的检测.

4.硬件设计

选用DSP芯片TMS320C6203B设计硬件系统.整体硬件电路框图如图6

其中信号调理电路包括信号的前置放大电路和滤波电路.本设计中DSP芯片是主要的信号处理单元.

4.结论

本文通过分析XLPE电缆绝缘老化的机理确认水树枝是造成井下电缆绝缘老化的主要原因,通过对低频电流法在线监测电缆绝缘情况的方法进行理论上研究和硬件上的改进,使此法更具可行性、准确度更高且监测效果更好.

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