CN103135031B - 煤矿高压电网绝缘状态监测方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿高压电网绝缘状态监测方法，属于电力系统馈线绝缘状态监测方法。选定一条馈线支路做单相经金属性接地实验，测定母线的零序电压和非故障支路的零序电流，求得非故障支路的零序阻抗，即绝缘电阻和对地电容，为了获取所有线路的绝缘参数，需要重新选择另外一条支路做单相接低电阻接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，重复上述实验，求得第一次实验故障线路的绝缘参数，综合两次实验结果得到全部馈线支路的绝缘参数。优点：该发明从母线零序电压和消弧线圈状态的变化分析了线路的绝缘劣化程度，零序电压会有一定的变化，同时阻尼电阻的接入情况会发生变化，通过监视上述几个特征量的暂态变化来预测线路绝缘的劣化程度。

Description

煤矿高压电网绝缘状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统馈线绝缘状态监测方法，特别是一种煤矿高压电网绝缘状态监测方法。

背景技术

高压电力系统中80%以上的事故属于绝缘事故，随着电力供应的发展和科学进步，对供电系统的可靠性和安全性提出了更高的要求，原有的停电试验进行绝缘检测的传统方法已越来越不能适应实际的生产需要，利用绝缘在线监测技术进行电网绝缘诊断是必然的发展趋势。近年来我国在电缆的绝缘在线监测方面做了大量的研究，取得了一定的成果，但测量误差都比较大。在原有的测量方法中，直流叠加法只适用于中性点非有效接地电网，由于有很大的杂散电流，会引起很大的测量误差；介质损耗因数测量法只能反映被检测电力设备或绝缘材料的整体性缺陷，无法发现系统中个别集中的缺陷；交流叠加法和局部放电检测法大多数只停留在实验阶段，缺乏实际的运行经验及有效电缆绝缘劣化判据；谐波分量法检测的是损耗电流中的谐波分量，但此损耗电流的谐波分量包含了电缆绝缘老化引起的谐波分量和电网中电源的谐波分量，并不能准确的反映XLPE电缆绝缘老化的程度，受到电源信号的干扰使得检测结果误差较大，限制了该方法的实际应用；接地线电流法针对单相XLPE电缆有很好的检测效果，但对于三相XLPE电缆来说，其三相的绝缘一般不会均匀下降，出现的三相接地不平衡电流不明显，因此检测不明显；局部放电试验信号波形复杂多变且微弱，极易被背景噪声淹没，外界电磁干扰多且强度大，因此大多数用在电缆出厂时的绝缘检测。

上述介绍的各种绝缘状态在线监测技术主要是针对110kV及以上的高压电力电缆，而煤矿电网的供电电压一般为35kV或10kV，上述的这些方法在实际应用中效果不佳，可行性大打折扣，因此有必要对煤矿电网在线监测进行进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种煤矿高压电网绝缘状态在线监测方法，能够对电网的各条馈线支路进行绝缘参数测定。

本发明的目的是这样实现的：选定电网中某条馈线支路，该支路号设为1，发生单相接地故障时或人为进行单相金属性接地实验，测定母线的零序电压和非故障支路的零序电流，求得非故障支路的零序阻抗，即绝缘电阻和对地电容，为了获取所有线路的绝缘参数，重新选择另外一条支路做单相金属性接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，重复上述实验，就可以求得第一次实验故障线路的绝缘参数，综合两次实验结果得到全部馈线支路的绝缘参数；

（1）、通过在线监测装置进行绝缘监视，经过下列过程实现：

A、以母线零序电压互感器瞬时值的变化作为电缆绝缘状态监测依据，当三相高压电缆绝缘出现非对称劣化时，系统会出现一定数值零序电压考虑消弧线圈的调谐方式及阻尼电阻投入情况，通过监视零序电压的变化情况及综合评价系统绝缘变化情况；所述的调谐方式为预调式、随调式或预随调式；

B、当系统发生单相接地故障特别是短时接地故障时，统计故障发生持续时间及故障馈线支路号，通过接地故障发生的频繁程度来判别线路及系统绝缘的劣化程度；

（2）、发生单相接地故障或经人为单相接地实验时对零序电压及各支路零序电流的信号的同步采集，计算出配电网中所有非故障支路绝缘参数，通过两次不同馈线支路接地故障或模拟实验，得出所有馈线的绝缘参数，其方法步骤如下：

C、选定电网中某条馈线支路，该支路号设为1，发生单相接地故障或选定某条馈线支路的其中一相做单相金属性接地故障实验，精确同步测量电网出现的零序电压及各非故障支路的零序电流的大小和相位，进而求取非故障相的绝缘参数：

$3{\stackrel{\·}{I}}_{02}={\stackrel{\·}{U}}_0(j3w{C}_2+\frac{3}{r_2})$

$3{\stackrel{\·}{I}}_{03}={\stackrel{\·}{U}}_0({j3\mathrm{wC}}_3+\frac{3}{r_3})$

$3{\stackrel{\·}{I}}_{0n}={\stackrel{\·}{U}}_0({j3\mathrm{wC}}_n+\frac{3}{r_n})$

其中：分别为非故障支路的零序电流，是系统出现的零序电压，C₂、C₃...、C_n是各馈线支路的对地电容，r₂、r₃...、r_n是各馈线支路的绝缘电阻；

准确测得零序电压和非故障支路零序电流的大小、相位后，根据以上各公式计算出非故障线路的绝缘参数；

D、在经过C步骤以后，为了获得支路1的绝缘参数，重新选择另外一条支路做单相接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，按照D步骤进行后，计算出所有支路的绝缘参数，进而得出全网电缆的绝缘性能。

有益效果，由于采用了上述方案，本发明通过两次单相接地故障实验或两次不同支路发生接地故障的数据记录与分析，便可以准确的测出全网馈线支路的线路绝缘参数，消除了了线路中存在的杂散电流、损耗电流引起的测量误差，无需外加信号注入，成本低，在线监测装置简单。

利用单端辐射状配电网中某一分支馈线电缆的绝缘性能下降等效为该支路发生经高阻接地故障，通过统计零序电压的变化情况以及考虑消弧线圈的调谐方式及阻尼电阻投入情况；同时统计单相故障持续时间及故障馈线支路号，通过接地故障发生的频繁程度来判别线路及系统对电网绝缘情况进行评价。提出了经过两次人工单相接地实验或经两次不同馈线支路发生接地故障时，精确同步采集零序电压及各支路零序电流来精确的计算全网各馈线支路具体的绝缘参数。

该发明从母线零序电压和消弧线圈状态的变化分析了线路的绝缘劣化程度。当线路发生绝缘劣化时。可以等效为系统发生单相经高阻接地故障，此时零序电压会有一定的变化，同时阻尼电阻的接入情况会发生变化，通过监视上述几个特征量的暂态变化来预测线路绝缘的劣化程度。

优点：无需增加信号注入设备，只需要等待电网两次不同支路馈线发生接地或两次不同馈线支路经人为单相金属性接地实验时，即可测出电网各馈线支路具体绝缘参数。

采用FFT对采样的电压电流信号进行处理，不仅能估计和评价非对称绝缘下降，还能对对称性绝缘下降以及具体的线路绝缘参数进行精确测量。

附图说明

图1是具有三条支路出线的简单单相经消弧线圈并电阻系统发生单相经电阻接地故障时零序等效网络分布图。

图2关于测量线路绝缘参数的PSCAD仿真图。

图3是实现测量线路绝缘参数的流程图。

具体实施方式

实施例1：人为选定一条馈线支路做单相经金属性接地实验，测定母线的零序电压和非故障支路的零序电流，求得非故障支路的零序阻抗，即绝缘电阻和对地电容，为了获取所有线路的绝缘参数，重新选择另外一条支路做单相接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，重复上述实验，就可以求得第一次实验故障线路的绝缘参数，综合两次实验结果得到全部馈线支路的绝缘参数；

（1）、通过在线监测装置进行绝缘监视，经过下列过程实现：

A、以母线零序电压互感器瞬时值的变化作为电缆绝缘状态监测依据，当三相高压电缆绝缘出现非对称劣化时，系统会出现一定数值零序电压考虑消弧线圈的调谐方式及阻尼电阻投入情况，通过监视零序电压的变化情况及综合评价系统绝缘变化情况；

B、当系统发生单相接地故障特别是短时接地故障时，统计故障发生持续时间及故障馈线支路号，通过接地故障发生的频繁程度来判别线路及系统绝缘的劣化程度；

（2）、发生单相接地故障或经人为单相接地实验时对零序电压及各支路零序电流的信号的同步采集，计算出配电网中所有非故障支路绝缘参数，通过两次不同馈线支路接地故障或模拟实验，得出所有馈线的绝缘参数，其方法步骤如下：

C、假定电网中某条馈线支路，该支路号设为1，发生单相接地故障或选定某条馈线支路的其中一相做单相经金属性接地故障实验，精确同步测量电网出现的零序电压及各非故障支路的零序电流的大小和相位，进而求取非故障相的绝缘参数：

$3{\stackrel{\·}{I}}_{02}={\stackrel{\·}{U}}_0({j3\mathrm{wC}}_2+\frac{3}{r_2})$

$3{\stackrel{\·}{I}}_{03}={\stackrel{\·}{U}}_0({j3\mathrm{wC}}_3+\frac{3}{r_3})$

$3{\stackrel{\·}{I}}_{0n}={\stackrel{\·}{U}}_0({j3\mathrm{wC}}_n+\frac{3}{r_n})$

其中：分别为非故障支路的零序电流，是系统出现的零序电压，C₂、C₃...、C_n是各馈线支路的对地电容，r₂、r₃...、r_n是各馈线支路的绝缘电阻；准确测得零序电压和非故障支路零序电流的大小、相位后，根据以上各公式计算出非故障线路的绝缘参数；

D、在经过C步骤以后，为了获得支路1的绝缘参数，重新选择另外一条支路做单相接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，按照D步骤进行后，计算出所有支路的绝缘参数，进而得出全网电缆的绝缘性能。

具体实施例如下：

（1）以母线零序电压互感器瞬时值的变化作为电缆绝缘的一个监测依据，当电缆绝缘性能出现劣化时，系统会出现零序电压因为零序电压比较小，选线装置不会启动，因此可以排除系统发生接地故障的可能，根据零序电压的变化可以判断绝缘劣化的程度。

（2）为了避免因消弧线圈处于全补偿状态时发生串联谐振，需要在消弧线圈并联适当的电阻，电网的阻尼率会发生变化，因此阻尼率的变化可以作为电缆绝缘监视的另一个依据。

本发明的分析如下：

1、单相接地故障分析

以中性点经消弧线圈接地的系统为例，分析零序电压变化与单相接地故障的关系。在图1中，当电网N₁支路A相电缆绝缘状态劣化时，等效为该支路发生了A相经高阻接地故障,系统将会出现一新零序电压图中设每条线路的三相对地电容相等，分别以集中参数C₁、C₂、C₃来表示，每条线路的三相对地绝缘电阻相等，分别以集中参数r₁、r₂、r₃表示。故障后电网对地总的零序阻抗为：

$Z=\frac{1}{\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}+\frac{1}{r_3}+\mathrm{j\ω}{C}_1+\mathrm{j\ω}{C}_2+\mathrm{j\ω}{C}_3+\frac{1}{R_E}+\frac{1}{\mathrm{j\ωL}}}=\frac{1}{C_0+\mathrm{j\ω}{C}_0+\frac{1}{\mathrm{j\ωL}}}$

其中 $G_0=\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}+\frac{1}{r_3},$ C₀＝C₁+C₂+C₃。

引入消弧线圈的两个参数：脱谐度 $v=\frac{I_{\mathrm{C\Σ}}-I_L}{I_{\mathrm{C\Σ}}}=\frac{\mathrm{\ω}{C}_0-\frac{1}{\mathrm{\ωL}}}{{\mathrm{\ωC}}_0}=1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_{0}L},$ 阻尼率： $d=\frac{I_{\mathrm{r\Σ}}}{I_C}=\frac{G_0}{\mathrm{\ω}{G}_0}$ 引入v、d后，上式变换为： $Z=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_0(v-\mathrm{jd})}.$

当电网A相经电阻R_E接地时的零序电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_0=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{A}Z}{Z+{3R}_E}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_A}{1+3\mathrm{j\ω}{C}_0(v-\mathrm{jd})R_E}.$

上述分析可以得出如下结论：

（1）当电网某一条电缆发生绝缘性能劣化时导致某相对地绝缘电阻降低时，系统将会出现一定大小的零序电压，从PT测得该值一般小于10V。因此我们可以通过监视零序电压的变化监视高压电缆的某相对地电阻的绝缘劣化程度；

（2）在中性点经消弧线圈接地系统中，消弧线圈采用过补偿工作状态，电缆绝缘性能下降时，系统出现零序电压，单相接地电容电流增大，会引起消弧线圈运行状态发生变化。对于采用自动跟踪补偿的消弧线圈，电网的对地阻尼率会发生变化，通过监测阻尼率与零序电压的变化关系来判断电缆的绝缘劣化程度；

在图1中，当N₁支路电缆发生严重的绝缘劣化或该支路某一点发生经金属性接地故障时，同样会出现较大的零序电压在的作用下，系统与大地之间产生零序电流，分析图1可以看出，故障支路的零序电流经过本支路的对地电容形成回路，流过故障支路零序电流互感器的零序电流是所有非故障支路的零序电流以及消弧线圈的电流但是非故障支路N₂和N₃的零序电流互感器反映的是流过本支路的零序电流。在故障线N₂和N₃上，A、B、C三相中流过线路本身的对地电容电流和有功电流。因此在线路N₂、N₃始端所反应的零序电流分别为：

$3{\stackrel{\·}{I}}_{02}={\stackrel{\·}{I}}_{A2}+{\stackrel{\·}{I}}_{B2}+{\stackrel{\·}{I}}_{C2}$

$3{\stackrel{\·}{I}}_{03}={\stackrel{\·}{I}}_{A3}+{\stackrel{\·}{I}}_{B3}+{\stackrel{\·}{I}}_{B3}$

进一步表示为： $3{\stackrel{\·}{I}}_{02}={\stackrel{\·}{U}}_0(j3w{C}_2+\frac{3}{r_2})---\left(2\right)$

$3{\stackrel{\·}{I}}_{03}={\stackrel{\·}{U}}_0({j3\mathrm{wC}}_3+\frac{3}{r_3})---\left(3\right)$

从上式可以看出，在测得零序电压和非故障支路的零序电流后，通过式(2)和（3）可以计算出非故障支路的对地电容和绝缘电阻。

经过上述分析可以得出两个结论：

（1）当电网某条支路的电缆绝缘劣化严重时，通过监测非故障支路的绝缘参数变化情况，能反映出非故障支路电缆的绝缘劣化程度。

（2）当电网发生单相经较低的过渡电阻接地故障时，通过计算非故障支路的绝缘参数变化情况，经过两次模拟实验，可以得出全网电缆的绝缘参数，为保证电网各支路的正常运行提供准确的数据。

2、从各状态量的变化分析电缆绝缘劣化程度

电网正常运行时由于电网各相绝缘参数的对称性，在电源的中性点电压为零，当某一支路的电缆绝缘劣化时，该支路的对地电容变大，绝缘电阻减小，进而引起电网自然阻尼率的变化，系统出现零序电压，随着绝缘劣化程度的不同，中性点零序电压的暂态量会发生变化，从附图中的仿真配电网模型的结果中，可以看出零序电压暂态量随电缆对地电容（绝缘参数）的变化规律。

从单相接地故障分析原理中可以看出线路绝缘参数的变化会使电网产生零序电压，将会出现消弧线圈与电网对地电容的串联谐振现象，为了抑制这种谐振，通常要求增加电网的阻尼率，即消弧线圈两端并联一定量的电阻。对于采用自动跟踪补偿装置的消弧线圈，要求消弧线圈处于过补偿工作状态，因此消弧线圈补偿状态的脱谐度都比较小且不会有明显的变化，但是电网的阻尼率会随着线路对低电阻和零序电压的变化而变化。

3、单相接地故障实验在测量绝缘参数中的应用

电网发生单相金属性接地故障时，流过故障线路的零序电流互感器的零序电流是所有非故障支路的零序电流的和以及消弧线圈的电流，非故障线路的零序电流互感器反映的是流过本线路的零序电流。测量系统零序电压和非故障支路的零序电流互感器的值，将非故障支路的电流进行傅里叶变换，选取基频分量的幅值和相位，通过相序过滤器得到关于非故障支路的零序电流的大小和相位。通过零序电压和零序电流的大小和相位，可以测得非故障支路的对地电容和绝缘电阻。在经过这样一次测量和计算后，故障支路的对地电容和绝缘参数是无法计算出来的。为了得到该支路的绝缘参数，需要选取另外一条支路进行第二次单相接地故障实验或者等待下一次发生单相接地故障，要求两次实验所选取的故障点以及接地电阻值相同，得到第二次实验中非故障支路的绝缘参数，其中包含了第一次故障支路的绝缘参数，因此全网电缆的绝缘参数就测得了。

实施例2：具体实施例如下：

（1）当模拟单相经金属性接地故障实验时，监测系统的零序电压互感器和非故障支路的电流互感器，启动数字信号采集卡，采样频率为1MHZ，对零序电压和非故障支路的零序电流的前五个周期信号进行采样。

（2）采用快速傅里叶变换，其中：n为采样点编号，N为一工频周波的采样点数.这样就得到关于零序电压和各零序电流的实部和虚部。

$U_{\left(k\right)\mathrm{rm}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\left(n\right)}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}\right),$ $U_{\left(k\right)\mathrm{im}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\left(n\right)}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}\right)$ （其中k和采样频率有关）。

其中：n为采样点数，k和采样频率有关。零序电压的幅值零序电压的相位

同样可以得到非故障支路N₂零序电流的实部和虚部 $U_{02\left(k\right)\mathrm{im}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\left(n\right)}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}\right)$ （其中k和采样频率有关）。零序电流的幅值 $I_{02}=\sqrt{{I^2}_{\mathrm{rm}}+{I^2}_{\mathrm{im}}}$ 零序电流的相位非故障支路N₃零序电流的实部和虚部 $i_{03\left(k\right)\mathrm{rm}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\left(n\right)}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}\right),$ $i_{03\left(k\right)\mathrm{im}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\left(n\right)}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}\right).$ 零序电流的幅值 $I_{03}=\sqrt{{I^2}_{\mathrm{rm}}+{I^2}_{\mathrm{im}}}$ 零序电流的相位

其中：i_02(k)rm、i_02(k)im、I₀₂分别是N₂支路零序电流的实部、虚部、相位、幅值，i_03(k)rm、i_03(k)im、I₀₃、分别是N₃支路零序电流的实部、虚部、相位、幅值。

（3）绝缘参数的计算过程： 因此非故障支路的绝缘参数就可以求得。

其中：r₂、r₃分别是N₂、N₃的绝缘电阻，X_c2、X_c3分别是N₂、N₃支路的对地容抗，Z₀₂、Z₀₃分别是N₂、N₃支路的阻抗。

(4)为了测量上次实验中故障支路的绝缘参数，需要选择另外一条支路重复上次的单相接地实验，两次实验选用的接地电阻相同，故障点相同。这样所有线路的绝缘参数就可以测得。

方案的效果评价：

本发明具有很好的扩张性和适应性，系统的规模发生变化或者支路数目增加时，本发明均可以满足要求，现以一个模型为例说明：

如图2所示，在经消弧线圈并电阻接地系统中，故障点直接接地，测得的非故障支路1零序电流非故障支路2零序电流系统的零序电压代入上面的公式可以求的线路1的绝缘电阻为39505.58153Ω，实际的绝缘电阻参数值是50KΩ，线路2的绝缘电阻为1088305.236Ω，实际的绝缘电阻值时100KΩ。

表1两次实验测得全网电缆绝缘参数

Claims (1)

1.一种煤矿高压电网绝缘状态监测方法，其特征在于：选定电网中某条馈线支路，该支路号设为1，发生单相接地故障时或人为进行单相金属性接地实验，测定母线的零序电压和非故障支路的零序电流，求得非故障支路的零序阻抗，即绝缘电阻和对地电容，为了获取所有线路的绝缘参数，重新选择另外一条支路做单相金属性接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，重复上述实验，求得第一次实验故障线路的绝缘参数，综合两次实验结果得到全部馈线支路的绝缘参数；

（1）通过在线监测装置进行绝缘监视，经过下列过程实现：

A、以母线零序电压互感器瞬时值的变化作为电缆绝缘状态监测依据，当三相高压电缆绝缘出现非对称劣化时，系统会出现一定数值零序电压 ，考虑消弧线圈的调谐方式及阻尼电阻投入情况，通过监视零序电压的变化情况及综合评价系统绝缘变化情况；所述的调谐方式为预调式、随调式或预随调式；

B、当系统发生单相接地故障特别是短时接地故障时，统计故障发生持续时间及故障馈线支路号，通过接地故障发生的频繁程度来判别线路及系统绝缘的劣化程度；

（2）发生单相接地故障或经人为单相接地实验时对零序电压及各支路零序电流的信号进行同步采集，计算出配电网中所有非故障支路绝缘参数，通过两次不同馈线支路接地故障或模拟实验，得出所有馈线的绝缘参数，其方法步骤如下：

C、选定电网中某条馈线支路，该支路号设为1，等待自然发生单相接地故障或者人为选定其中一相做单相金属性接地故障实验，精确同步测量电网出现的零序电压以及各非故障支路的零序电流的大小和相位，进而求取非故障相的绝缘参数：

                                             

                    

                       .

                       .

                       .

                    

其中：、…、分别为非故障支路的零序电流，是系统出现的零序电压，是各馈线支路的对地电容，是各馈线支路的绝缘电阻；

准确测得零序电压和非故障支路零序电流的大小、相位后，根据以上各公式计算出非故障线路的绝缘参数；

D、在经过C步骤以后，为了获得支路1的绝缘参数，重新选择另外一条支路做单相接地实验或者等待下一次非支路号为1线路发生单相接地故障，按照D步骤进行后，计算出所有支路的绝缘参数，进而得出全网电缆的绝缘性能；

具体的：

（1）以母线零序电压互感器瞬时值的变化作为电缆绝缘的一个监测依据，当电缆绝缘性能出现劣化时，系统会出现零序电压，因为零序电压比较小，选线装置不会启动，因此可以排除系统发生接地故障的可能，根据零序电压的变化可以判断绝缘劣化的程度；

（2）为了避免因消弧线圈处于全补偿状态时发生串联谐振，需要在消弧线圈并联适当的电阻，当发生绝缘老化时，线路绝缘电阻的下降会引起电网的阻尼率发生变化，因此阻尼率的变化可以作为电缆绝缘监视的另一个依据。