赵金宪， 赵 雷

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院，哈尔滨 150027)

基于改进低频电源法的采区漏电监测

赵金宪， 赵 雷

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院，哈尔滨 150027)

采用附加低频电源法监测矿井低压供电电缆漏电情况，其监测结果容易受到电缆对地电容变化的影响。为消除电容影响，提高监测的可靠性，通过Simulink建立分支电缆单相漏电模型，对分支电缆增设对地可调电感以进行容性电流补偿，并且在低频电源处增设总支路监测模块。仿真结果表明，改进的附加低频电源监测法提高了监测数据的准确性。

低频电源;漏电监测;仿真

矿井低压供电电缆漏电监测主要是对电缆绝缘阻值的监测。在已知的漏电监测方法中，附加低频电源法不但可以实现分支电缆绝缘参数在线监测，还可以实现井下电网的选择性漏电保护［1］。该方法能够在电缆发生漏电时准确判断漏电支路，比采用零序参数和功率参数的监测方法更准确［1－2］。但煤采区电缆在使用过程中，由于电流波动大，设备移动频繁，水分渗透以及电缆自身老化等原因，使得电缆对地电容值发生变化。文献［3］中就指出，电缆自身老化或者发生故障均可以引起对地电容值的增大。文献［1］和［2］中也指出，电缆绝缘电阻值的监测精度将随电容值的增大而下降，这可能导致报警装置发出错误警告和误动作。

电容值的变化影响低频电流中容性电流［2］。文中改进的附加低频电源法对每一分支电缆增设可调电感，根据电缆对地电容值变化，设置电感值以补偿容性电流，从而减小或者消除容性电流，确保监测结果的准确性。为了进一步提高监测数据的准确性，在低频电源接地处增设对总支路漏电监测的模块，实现对所有支路状态的实时监测。

1 附加低频电源法监测原理

1.1 原 理

图1为附加低频电源法监测电缆漏电情况的原理图(除去虚线框部分)，其等效电路如图2所示。图1中电缆电气参数(电阻、电容)采用集中参数表示，支路1为正常供电线路，支路2中A相d点出现对地绝缘电阻下降。

图1 低频电源监测原理Fig.1 Monitoring principle

图2 等效电路Fig.2 Equivalent circuit

低频电源监测基本原理是，通过监测低频电流信号，实现对电缆漏电情况的监测。具体方法:在采区三相交流供电电网中附加一个低频交流信号，该信号经变压器、电抗器(SK)输入到供电线路，由电缆对地绝缘阻抗入地，与检测电阻R1、保护电阻R'构成低频回路;各支路中低频电流和相位将随电缆对地阻抗的变化而变化，通过电流互感器采集低频电流变化信号，然后进行滤波、放大、数字处理和分析［4］，得到各支路电缆的漏电情况和电缆绝缘阻抗的变化趋势，实现实时监测［1］。

图2中，r为支路电缆三相对地并联电阻值;C为对地并联电容值;Lsk为电抗器电感值;R为等效电阻，R=R1+R';为低频电源;为支路中低频电流。如果不考虑图1中虚线框部分，由图2可得

式中:ω——低频电源角频率。

式(1)变换后得

由式(4)可知，电容增大将导致监测电流增大。

1.2 低频电源选取方法

低频信号选取条件:(1)由于电缆对地分布电容的存在，选取的监测信号不应降低电缆对地的绝缘参数，以提高监测装置的准确性;(2)有利于对采集到的信号进行提取，提高抗干扰能力;(3)降低注入信号频率ω有利于减小容性电流。

根据对称分量法的理论［5］，

当煤采区分支电缆发生漏电时，如图1中支路2的A相d点，应用对称分量法对该点进行三相漏电分析可知，产生的零序漏电信号主要是50 Hz工频信号，并伴有工频奇次倍谐波信号(3次、5次、7次等)［5］。由此可知，为便于对采集到的低频信号进行滤波处理和提高抗干扰能力，所选低频信号应尽可能小于工频信号。

由于正弦信号频率稳定，波形畸变系数较小，而且易于提取，所以参考低频信号选取条件，选取10 Hz正弦交流电源。工频为10 Hz低频信号的整数倍，再利用全周傅里叶算法，可以较好地消除50 Hz工频负载信号和高次谐波的影响。考虑高度危险的条件下(如潮湿的场所)，安全电压宜采用36 V，所以10 Hz正弦交流电源有效值选为20 V。

2 对附加低频电源法的改进

2.1 增设模块

改进的低频电源法在图1中增加了可调电感和总支路监测模块两部分。可调电感将对电缆对地电容电流进行补偿，以消除容性电流对监测结果造成的影响，提高监测信号的准确性。总支路监测模块，用于实时监测所有分支电缆是否漏电。当支路漏电时，该监测模块信号会有变化;当某条分支电缆的电流监测装置出现故障时，该监测模块可以反映出支路中是否漏电，这样更加保证了监测结果的准确性。

增加等效电路图2中虚线框内容，得到

由式(7)可知，根据对低频电流值的持续监测结果，可以准确地推断电缆对地电阻值，并对电缆电阻的变化趋势作出判断，避免漏电、短路等故障。

2.2 电感值确定方法

由式(4)得

式(10)中，θ为电压与电流相位差，只要求得θ便可得到C值。C值已知后，根据 ωC－1/ωL=0，便可得到需要的电感值。

3 建模与仿真

3.1 仿真模型

采用MATLAB 7.1中的Simulink模块进行理论仿真，仿真模型如图3所示。图3中设置支路1、支路2、支路3三条线路。三相电源相间电压有效值为660 V;输电线路采用π型链接方式［6］，其正序电气参数为 0.012 73 Ω/km、0.033 7e－3 H/km、12.74e－9 F/km，零序为 0.386 4 Ω/km、4.126 4e－3 H/km、7.751e－9 F/km，输电线选取长度为1 km;负载设为感性，有功功率105W，电感功率104Var;电抗器SK数值设为0.5 H;低频1∶1变压器为理想变压器;运放Gain模块对采集信号进行100倍放大;保护电阻R10=1 kΩ，检测电阻R11=8 Ω;Scope为示波器，用来观察低频电流监测值;设仿真时间为0～0.5 s。

3.2 仿真分析

3.2.1 附加低频电源法

在电缆未漏电时，设电阻R1～R9的值为106Ω，支路1的电容值为1e－6 F，支路2的电容值为0.5e－6 F，支路3的电容值为0，仿真结果见图4。由图4看出，电缆对地电容值越大，低频电流峰值越大，而仅凭电流峰值无法判断出电缆电阻值;此外，Scope4显示50 Hz电流信号峰值很小，说明在支路3电缆没有发生单相故障时，电路中工频信号很小，可以忽略不计。

支路3中不含对地电容，且R+ωLsk＜＜r，故由式(3)可得流过支路3的电流峰值，即

图3 仿真模型Fig.3 Simulation model

图4 改进前各支路正常供电仿真结果Fig.4 Simulation results of each branch with no leakage before improvement

式(11)、(12)的理论计算结果与图4中 Scope2、Scope3对低频电流峰值的仿真结果相一致，说明建模正确。

仿真结果中，由Continuous模块中的分析工具可以观察到支路1和支路2的各相电压、电流有效值和相位，如图5所示。

当支路2、支路3的rA=5 kΩ时，各个电容值不发生变化，其仿真结果如图6所示。可以看到，支路1电流峰值没有变化，支路2、3电流峰值比图4中相应峰值增大，此外，工频信号电流峰值也增大。此时，保护电阻 R10=1 kΩ的阻值不可以忽略，将rA=5 kΩ代入式(3)，经放大模块可得:支路2电流为0.48 A，Scope2显示为0.55 A左右;支路3电流为0.55 A，Scope3显示为0.52 A左右。由此可知，理论计算值与图6中仿真结果相符，说明建模正确。图6中Scope4显示工频电流峰值增大，这是由于支路3电阻下降所致。由对称分量法和式(5)也可知，漏电支路中工频信号增大。

图5 参数仿真结果Fig.5 Simulation results of parameters

附加低频电源法存在的问题:(1)由于三条线路对地电容值不同，当支路2、3发生漏电时，图6中三条支路的电流峰值均为0.5 A左右，仅凭监测结果无法判断哪条线路的对地绝缘电阻下降，因此给监测带来安全隐患;(2)如果某条线路低频电流监测装置失灵，则不能够获得该支路监测信息，产生监测盲区。

图6 改进前支路2、3漏电仿真结果Fig.6 Simulation results of 2 and 3 branch with leakage before improvement

3.2.2 改进的附加低频电源法

对支路1、2的容性电流进行补偿。将由图5监测得到的数据，代入式(10)，得到支路1中C=1e－6 F，支路2中C=0.5 e－6 F，与设定值相同。由式(6)可知，支路1需并联0.25×103H电感，支路2需并联0.5×103H电感。仿真中增加了总支路监测模块，并由Scope6显示监测结果。

当三条支路未发生漏电时，仿真结果如图7所示。由图可见，三条支路中流过的低频电流峰值均为0.008 A左右，符合式(11)的计算结果，说明支路中容性电流得到补偿，此时电路准确反映出了电缆的电阻值;新增设的总支路监测模块Scope5显示电流值I1=0.024 A，为三条支路电流值之和，所以，当某支路监测装置出现故障时，可由总模块推得该支路中电流值，从而提高了监测数据的准确性。

图7 改进后正常供电仿真结果Fig.7 Simulation results of each branch with no leakage after improvement

当三条支路rA=5 kΩ时，仿真结果如图8所示。由图可知，三条支路中流过的低频电流峰值均为0.5 A左右。将参数代入式(11)得峰值结果为0.567 A，与仿真结果相同。这说明增加可调电感后，漏电电流中容性电流得到补偿，各支路监测结果反映出电缆电阻值的真实值。此外，新增设的总支路监测模块电流峰值1.5 A左右，为三条支路电流值之和，所以，当支路出现漏电故障时，总监测模块也可以监测到漏电故障的发生，提高了监测数据的可靠性。

图8 改进后三条支路漏电仿真结果Fig.8 Simulation results of each branch with leakage after improvement

4 结束语

通过对分支电缆增设对地可调电感及在低频电源处增设总支路监测模块，改进了附加低频电源法。仿真结果表明，在煤采区采用改进的附加低频电源法进行漏电监测，由于容性电流得到补偿，当支路发生单相漏电时，得到的低频电流监测数据更能准确反映电缆的真实阻值和阻值变化趋势;而且新增设的总支路监测模块，能够在分支监测模块出现故障时起到分析、监测作用，增加了监测结果的准确性。这有利于对电缆漏电趋势作出准确判断和预报，提高了采区供电的安全性。

［1］陆 电，傅周兴，任学海，等.矿井低压电缆绝缘在线监测探讨［J］.现代电子技术，2009，32(9):130－132.

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［3］王洪新，程树康，文习山，等.XLPE老化过程中交流绝缘参数特性［J］.高压电技术，2005，31(3):7－9.

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Leakage monitoring in coal mining area based on improvement of low frequency power supply

ZHAO Jinxian，ZHAO Lei
(College of Electric＆ Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

The monitoring of leakage occurring in mine low-voltage power supply cable by additional low-frequency power threatens to leave the monitoring results vulnerable to the impact of changes in cable capacitance to ground.Aimed at eliminating the impact and improving the reliability of leakage monitoring with additional low-frequency power，this paper introduces the way adjustable inductance to ground for branch cables is added to compensate for the changes in capacitance and detection on total branch is also added at the low-frequency power.The simulation results show a greater accuracy in leakage monitoring.

low frequency power supply;leakage monitoring;simulation

TM743

A

1671－0118(2012)05－0521－05

2012－06－28

赵金宪(1970－)，男，吉林省舒兰人，教授，博士，研究方向:信号与信息处理、计算机控制技术，E-mail:zjx5579@163.com。

(编辑 荀海鑫)