CN110231552A - 煤矿电缆绝缘监测选线方法、信号注入电路及相应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿电缆绝缘监测选线方法、信号注入电路及相应装置。所述方法向电力系统注入监测用的阶跃脉冲信号，依据用电支路上采集到的阶跃脉冲信号，计算阶跃脉冲信号的基波与三次谐波幅值比K并与整定值K_S比较，若K＜K_S则判定该支路绝缘，若K＞K_S则判定该支路出现绝缘故障，将当前绝缘阻值R与整定值R_S进行比较，如R＞R_S则判定该支路出现明显绝缘故障。所述信号注入电路包括具有工频阻波功能的滤波电路，其输出侧经隔离变压器连接系统一次侧，输出侧经限流电阻连接信号发生电路的信号输出。所述装置包括阶跃脉冲信号产生注入模块、监测信号采集模块和中央处理分析模块。本发明以有效地解决了井下电力系统的绝缘监测选线问题。

Description

煤矿电缆绝缘监测选线方法、信号注入电路及相应装置

技术领域

本发明涉及煤矿电缆绝缘监测选线方法、适于煤矿电缆绝缘监测选线的相应阶跃脉冲信号注入电路及相应的煤矿电缆绝缘监测选线装置，属于煤矿电网安全运行技术领域。

背景技术

为了预防煤矿井下接地故障的发生，防患于未然，需要对6kV/10kV电力电缆的绝缘状态进行实时监测，提高煤矿电网供电安全性。煤矿电网中电缆的屏蔽层接地方式与地面电网中电缆的屏蔽层接地方式有所不同，煤矿电网一般采用经消弧线圈接地，二者的绝缘水平不同，因此地面电网中的电缆绝缘在线诊断方法的判断依据不可照搬在矿用高压电缆的绝缘诊断中。现有的绝缘监测技术有如局部放电检测法无法在实际现场应用；而采取低频正弦信号注入法，则需要准确的选取注入信号频率幅值解决信号注入方式，并且同样需要解决系统分布参数对检测结果的影响；介质损耗法只能反映电缆绝缘的整体缺陷，当电缆发生局部绝缘劣化时，介质损耗角正切值无明显变化。介损在线监测法在单独使用时准确度低，需要与其他方法配合使用。零序电流法理想地认为线路绝缘阻抗一直处于三相平衡状态，未考虑由线路绝缘不平衡所产生的零序电压和零序电流的影响。并且，煤矿供电多采用消弧线圈接地或不接地系统，故障线路稳态零序电流的幅值与极性不再具备故障特征，基于稳态零序电流的故障检测方法不再有效。因此，需要对煤矿电缆绝缘监测选线方法作进一步的开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿电缆绝缘监测选线方法、信号注入电路及相应装置，以解决现有地面交流电力系统绝缘在线监测及选线方法不适于井下非有效接地交流电力系统的问题。

本发明的技术方案是：适于煤矿电力系统的基于注入阶跃脉冲的电缆绝缘监测选线方法，向电力系统注入监测用的阶跃脉冲信号，依据用电支路上采集到的阶跃脉冲信号，计算阶跃脉冲信号的基波与三次谐波幅值比K，将基波与三次谐波幅值比K，与相应的整定值K_S进行比较，若K＜K_S，则判定该支路绝缘正常，未发生绝缘故障，若K＞K_S，则判定该支路出现绝缘故障，计算该支路的当前绝缘阻值R，将当前绝缘阻值R与相应的整定值R_S进行比较，如R＞R_S，则判定该支路出现明显绝缘故障，通过具有工频阻波功能的滤波电路向电力系统注入所述的阶跃脉冲信号，所述滤波电路由电容支路和电感支路并联而成，所述电容支路由电容为C₁的滤波电容器(简称滤波电容)和工频阻波电路串联而成，所述电感电路由电感为L₁的滤波电感器(简称滤波电感)和工频阻波电路串联而成，所述工频阻波电路由电容为C₂的阻波电容器(简称阻波电容)和由电感为C₂的阻波电感器(阻波电感)并联而成，所述C₁、L₁、C₂和C₂依据下列公式确定：

所述阶跃脉冲信号的角频率依据下列公式确定：

其中，ω_g为电力系统的工频，ω₁和ω₃分别为阶跃脉冲信号的基波和三次谐波的角频率，k为电力系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下的过补偿系数。

可以采用下列公式计算支路i的当前绝缘阻值R_i：

其中

U₁为注入的已知阶跃脉冲信号的母线对地基波电压幅值；I₁为支路i的基波电流信号幅值，可由安装在支路的电流传感器采集的的电流信号通过傅氏分解计算得出；I₃为支路i的三次谐波电流信号幅值，可由安装在支路的互感器采集的电流信号通过傅氏分解计算得出。

可以采用下列公式计算基波与三次谐波幅值比K：

其中C_i为支路i的分布电容，依据下列公式计算获得：

所述滤波电路的输出优选经隔离变压器注入到系统一次侧。

所述滤波电路的输入优选经限流电阻R_L连接信号发生电路的阶跃脉冲信号输出。

优选采用光耦元件作为直流电源输出的开关元件，以微处理器控制光耦元件以设定频率进行开关状态的切换，使直流电源输出所述的阶跃脉冲信号。

一种适于电缆绝缘监测的阶跃脉冲信号注入电路，包括具有工频阻波功能的滤波电路，所述滤波电路由电容支路和电感支路并联而成，所述电容支路由电容为C₁的滤波电容器(简称滤波电容)和工频阻波电路串联而成，所述电感电路由电感为L₁的滤波电感器(简称滤波电感)和工频阻波电路串联而成，所述工频阻波电路由电容为C₂的阻波电容器(简称阻波电容)和由电感为L₂的阻波电感器(阻波电感)并联而成，所述C₁、L₁、C₂和L₂之间的关系依据下列公式确定：

其中，ω_g为电力系统的工频，ω₁和ω₃分别为阶跃脉冲信号的基波和三次谐波的角频率。

这种电路还可以包括隔离变压器和限流电阻R_L，所述滤波电路的输出经隔离变压器注入到系统一次侧，所述滤波电路的输入经限流电阻R_L连接信号发生电路的阶跃脉冲信号输出。

所述信号发生电路优选采用光耦元件作为直流电源输出的开关元件，以微处理器(芯片)控制光耦元件，使直流电源输出所述的阶跃脉冲信号，形成所述的阶跃脉冲信号，所述阶跃脉冲信号的角频率依据下列公式确定：

其中，k为电力系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下的过补偿系数。

一种适于煤矿电力系统的基于注入阶跃脉冲的电缆绝缘监测选线方装置，包括：

阶跃脉冲信号产生注入模块，用于产生阶跃脉冲信号并将其注入到电力系统，设有用于生成脉冲阶跃信号的信号发生电路和用于将阶跃信号注入电力系统的信号注入电路，所述信号注入电路采用本发明公开的任意一项所述的适于电缆绝缘监测的阶跃脉冲信号注入电路，所述信号发生电路采用光耦元件作为直流电源输出的开关元件，以微处理器控制光耦元件以设定频率进行开关状态的切换，形成所述的阶跃脉冲信号，所述阶跃脉冲信号的角频率依据下列公式确定：

其中，k为电力系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下的过补偿系数；

监测信号采集模块，用于进行电力系统的各用电支路上脉冲阶跃信号的采集和调理，包括信号调理电路和用于采集相关用电支路上电流信号的若干电流传感器，所述信号调理电路包括依次连接的低通滤波电路、工频阻波电路、双频带通滤波电路和信号放大电路，各所述电流传感器的信号输出接入所述低通滤波电路，所述低通滤波电路用于滤除150Hz的高频噪音信号，其输出接入所述工频阻波电路的输入端，所述工频阻波电路用于滤除工频干扰信号，其输出接入所述双频带通滤波电路的输入端，所述双频带通滤波电路用于滤除除阶跃脉冲信号的基波和三次谐波以外的其他干扰信号，其输出接入所述信号放大电路的输入端，所述信号放大电路用于信号放大，其输出接入用作中央处理分析模块接口电路的A/D电路的输入端；

中央处理分析模块，用于进行信号分析和处理，进行绝缘故障判断和报警，包括CPU，所述CPU连接有A/D转换电路，所述A/D转换电路用于对源自所述信号放大电路的信号进行A/D转换，形成适于CPU处理的数字信号，所述CPU对A/D送入的数字信号进行计算分析，计算阶跃脉冲信号的基波与三次谐波幅值比K，将基波与三次谐波幅值比K与相应的整定值K_S进行比较，若K＜K_S，则判定该支路绝缘正常，未发生绝缘故障，若K＞K_S，则判定该支路出现绝缘故障，计算该支路的当前绝缘阻值R，将当前绝缘阻值R与相应的整定值R_S进行比较，如R＞R_S，则判定该支路出现明显绝缘故障。

本发明的工作原理和有益效果为：由信号产生注入模块产生经过计算选择的电压频率适当的恒流48V或24V阶跃脉冲序列信号经隔离变压器注入到系统一次侧，信号流过系统各相各支路，分布在电缆的电流传感器采集信号，可以通过中央处理分析模块进行相应的分析处理，以发现或判断绝缘故障，例如，可以进行傅氏变换计算基波与三次谐波幅值比K，与设置的故障幅值比整定值K_S和电阻整定值R_S进行比较，若K＜K_S则判定该支路绝缘正常，未发生绝缘故障，若K＞K_S，则判定该支路出现接地故障，发出绝缘下降预报警信号并计算当前绝缘阻值R，若R小于整定值R_S则发出故障报警信号，由此很好地适应了井下电网采用经消弧线圈接地的情形，有效地避开了妨碍现有地面交流电力系统绝缘在线监测及选线方法用于井下非有效接地交流电力系统的技术障碍，能够有效地对目前煤矿井下电力电缆或其他类似情形的电力电缆进行绝缘监测和选线，有助于提高井下电网的安全性。本发明适应于煤矿等采用经消弧线圈节点或中性点不接地等非有效接地方式的电力系统。

附图说明

图1是本发明涉及的使用方式和工作原理图；

图2是本发明涉及的阶跃脉冲序列信号相关电路原理图；

图3是本发明涉及的信号调理电路架构示意图；

图4是本发明涉及的各支路阻抗并联简化等效电路图。

具体实施方式

参见图1-4，本发明的电缆绝缘监测选线装置包括阶跃脉冲信号产生注入模块(简称信号产生注入模块)、监测信号采集模块和中央处理分析模块。参见图2，阶跃脉冲信号产生注入模块由信号产生电路和信号注入电路组成，信号产生电路由低压48V或24V直流源、光耦电路及控制电路构成。所述控制电路可以采用ARM STM32F 103等芯片作为控制及处理芯片(CPU)产生控制信号，控制光耦元件导通开断48V或24V电源，产生阶跃脉冲序列信号。所述光耦电路可以采用PS9821(RENESAS公司)或TLP127等芯片作为光耦元件/光耦开关。

所述控制电路的CPU(ARM芯片)的I/O口控制光耦元件中发光器的亮灭，当I/O口输出高电平时，发光器工作，受光器接受光线之后产生光电流从输出端输出，导通受光器(可等效为三极管，参见图2)的集电极和发射极，此时，会在集电极上产生一个48V的高电平。当I/O输出低电平时，发光器不工作，导通受光器的集电极和发射极断开，此时集电极由于接地电阻会钳制到零电位附近，这样，通过I/O口输出一定频率的阶跃脉冲便可以驱动光耦的集电极，产生一个与之频率相同的高电压幅值的阶跃脉冲，同时可以做到输出与输入之间的绝缘。

可以采用其他现有技术进行类似控制，也可采用其他现有电路产生相应特性的阶跃脉冲信号。

图2所示的信号注入电路由限流电阻R_L、滤波电路和信号注入隔离变压器T构成，由于煤矿井下电力系统一次侧的阻抗经隔离变压器归算到信号注入端二次侧后，总阻抗远小于设置的限流电阻R_L，所以注入系统的信号为恒流阶跃脉冲信号。

滤波电路用于滤除阶跃脉冲信号中除基波和三次谐波以外的其他谐波信号，并设置阻波单元用于保护和阻止一次侧工频信号对信号产生模块的冲击。

所述滤波电路可以基于无源LC电路实现，由两并联支路组成，两支路分别由滤波电容C₁或滤波电感L₁与阻波单元串联而成，所述阻波单元由相互并联的阻波电容C₂和阻波电感L₂构成，用于对工频信号发生并联谐振，阻止一次侧的冲击。即满足：

其中ω_g为工频电压角频率，依据上式确定的阻波电容C₂和阻波电感L₂并联电路形成阻波单元对于工频信号的阻抗无穷大，而实际中，因为电感线圈品质的影响，电感中含有部分阻性成分，所以实际阻波电容C₂和阻波电感L₂并联电路对工频信号的阻抗略小于理想状态，具体可根据电感元件的品质参数计算。但总体上，该并联电路对于工频信号的阻抗接近于无穷大。

所述滤波电路中一条支路为阻波电容C₂和阻波电感L₂构成的并联电路与滤波电容C₁串联，应相对于注入信号的基波分量产生串联谐振，以ω₁表示注入信号的基波角频率，ω₃表示注入信号的三次谐波角频率，即对于基波频率来说C₂和L₂构成的并联电路的总阻抗与滤波电容C₁的容抗的和应等于0，即满足

所述滤波电路中另一条支路为阻波电容C₂和阻波电感L₂构成的并联电路与滤波电感L₁串联，应相对于注入信号的三次谐波频率下产生串联谐振，即对于三次谐波频率来说，阻波电容C₂和阻波电感L₂构成的并联电路的总阻抗与滤波电感L₁的感抗和等于0，即满足：

因此，所述的滤波电路对于注入信号的基波与三次谐波信号的总阻抗接近于0，而对于工频信号的总阻抗接近于无穷大，从而达到滤波和阻波两方面的作用。

所述注入隔离变压器T连接滤波电路输出端和煤矿井下电力系统一次侧，用于隔离一次侧与二次侧，并将产生的阶跃脉冲信号注入一次侧系统。

参见图1，所述监测信号采集模块由设置在电缆各支路用于采集相应电流信号的电路传感器(电流传感器1、电流传感器2、……电流传感器n)及相应的信号调理电路(信号调理单元)组成，电路传感器用于采集每相故障信号，经信号调理电路送入中央处理分析模块(中央处理单元)。

参见图3，所述的信号调理电路由低通滤波电路、工频阻波电路、双频带通滤波电路和信号放大电路四部分构成，用于滤除采集信号中除所注入阶跃脉冲信号基波和三次谐波频率以外的频率信号，并放大信号送入中央处理分析模块的A/D转换电路。

所述的低通滤波电路可采用目前比较成熟的Sallen-key结构的二阶低通滤波电路，使用该电路可以剔除150Hz以上(含)的高频噪声信号，保证所需的基波频率和三次谐波频率无丢失。所述工频阻波电路用于滤除采集信号中的工频干扰信号，采用目前较为成熟的、选频特性较好的双T工频陷波电路。所述双频带通滤波电路用于滤除除基波和三次谐波以外的其他干扰信号，保证两个频率信号在不丢失的前提下通过，可采用弗利格双运放带通滤波电路，可提高品质因数。所述信号放大电路采用常见分档放大电路，用于将检测选线的基波和三次谐波的信号放大到合适的范围内。

采集的电流信号经过信号调理电路调理后，送入中央处理分析模块的A/D转换电路的信号只保留了用于电缆绝缘故障诊断选线的注入信号信息。所述中央处理分析模块主要由相应的CPU(中央处理分析模块CPU)以及与所述CPU连接的A/D转换和显示屏组成，所述CPU可以采用ARM STM32F103作为处理芯片等适宜的现有元件和现有技术，ARM STM32F103带有3个12位的ADC转换器，AD采样速率最高可达1MHz。所述中央处理分析模块应具有报警功能，在分析出绝缘故障支路后，报警该支路绝缘故障，并计算出绝缘电阻，显示在显示屏上，可以依据现有技术设置报警功能。

本发明涉及的技术原理如下：因为阶跃脉冲中含丰富的谐波，注入电力系统后，假设阶跃脉冲周期为T，占空比50％，幅值为I的阶跃脉冲，其在一个周期内的表达式为

其中i(t)为t时刻电流，f为时间，T为阶跃脉冲周期，I为阶跃脉冲信号的电流幅值(简称幅值)。

可通过傅立叶变换，得到电流值表达式。

其中2n-1为谐波次数，n为正整数。

由此可见，阶跃脉冲可以视为由一系列幅值不等的正弦信号叠加而成。

当n＝1时为阶跃脉冲的基波电流i₁表达式为：

当n＝2时为阶跃脉冲的三次谐波表达式为：

其基波电流幅值(简称基波幅值)与三次谐波电流幅值(简称三次谐波幅值)存在关系：

I₁＝3I₃ 公式(8)

由上述推导可知，阶跃脉冲信号含有1，3，…，2n-1等奇数次谐波，注入系统的总的基波与3次谐波电流幅值为3倍的关系。

对于只存在对地电容的线路(假设对地绝缘电阻无穷大)，流过该线路的基波电流幅值I₁与3次谐波电流幅值I₃满足：

其中，U₁和U₃分别为母线的基波电压幅值和3次谐波电压幅值。

对于只存在接地电阻，不存在对地电容的线路，基波与3次谐波电流幅值满足：

对于既存在接地电阻又存在对地电容的线路，基波与3次谐波电流幅值比在之间变化。

如果注入系统的基波电压与3次谐波电压满足下列关系：

依据下列式定义基波信号与3次谐波信号幅值比K：

则非故障线路中基波电流幅值和3次谐波电流幅值K将恒为1，故障线路中电流幅值比K在1～3之间。所以，仅通过检测各线路注入阶跃脉冲后产生的漏电流，并分析其基波与3次谐波电流幅值比，即可进行故障选线。

本发明的电缆绝缘监测选线方法具体包括下列步骤：

步骤1，由阶跃脉冲信号产生注入模块(简称信号产生注入模块)产生经过计算选择的电压频率适当的恒流阶跃脉冲信号，通常情况下可采用常见的48V或24V的电源。

煤矿等的交流电力系统一般采用中性点不接地或经消弧线圈等非有效接地方式。通过原理分析，可知在正常情况下，注入阶跃脉冲信号后，注入的信号电压满足基波与三次谐波电压幅值比接近于1的关系，即对于基波和三次谐波信号，一次系统总阻抗应为容性总阻抗。系统阻抗成分的不同，则采集信号的基波与三次谐波的关系不同，对于采取经消弧线圈接地的交流电力系统，因其采用消弧线圈的多种补偿方式，所以需要选取合适的频率和幅值，才能适用注入阶跃脉冲法绝缘监测选线的判据。

参照图1，由于相对于系统对地容抗，接地变压器T1或电源变压器绕组的阻抗很小，所以相对于注入信号，三相母线可以近似认为是短接在一起的。可简化出各支路等效阻抗等效电路，再进一步简化可得各支路并联阻抗等效电路图(参见图4)。

可知，系统阻抗即为等效阻抗R_g，等效感抗L和等效容抗C_∑的并联总阻抗。

因要满足在R_g一定的条件下，对于基波信号和3次谐波信号，要满足系统阻抗的幅值相等，即要求L和C_∑并联阻抗的幅值相等。

当角频率为ω时，等效感抗L和等效容抗C_∑的并联阻抗Z为：

通常，经消弧线圈接地的系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下，过补偿系数为k，即满足：

代入前式(13)可得：

从上式可以看出，时，Z呈感性；Z呈容性。要使一次系统总阻抗的幅值对于基波和3次谐波信号相等，则必须使基波和3次谐波频率分别满足以上要求，并同时满足：

式中ω₁、ω₃为注入电力系统的阶跃脉冲的基波角频率和三次谐波角频率。

由此可以根据消弧线圈接地系统的补偿系数来确定所需的注入阶跃脉冲信号的频率值f。

步骤2，产生的信号经隔离变压器注入到系统一次侧，信号流过系统各相各支路，分布在电缆各支路的电流传感器(电流传感器1、电流传感器2、……电流传感器n)采集信号，并通过调理电路调理滤波；

步骤3，通过中央处理分析模块进行计算，得到注入阶跃脉冲信号法绝缘监测选线的判据。

对于注入阶跃脉冲的基波信号和三次谐波信号，母线处电压满足 则流过支路i正极的基波电流与三次谐波电流分别为：

上式中和和分别表示支路i(或称第i支路)的基波电流相量、三次谐波电流相量和基波电压相量、三次谐波电压相量，R_i+、C_i+和ω₁分别表示支路i的电阻、电容和基波角频率，其中ω₁＝2πf。下标i表示相应参数为支路i的参数。

若母线处电压信号、支路处基波与三次谐波电流信号已采集到，由上式可解得支路绝缘电阻为：

支路分布电容为：

基波信号与三次谐波信号幅值比为

当系统绝缘正常时，认为其对地等效电阻无穷大，流过支路的电流几乎全为电容电流，由上式得K＝1，故绝缘正常支路的电流中一次谐波与三次谐波之比近似为一。

当支路绝缘下降时，考虑极端情况，即线路对地电阻阻阻值接近于0，流过支路的电流全为阻性电流，此时有K＝3，流过支路中阶跃脉冲信号的一次谐波和三次谐波之比为三。

而介于这两种情况之间的支路，理论上有1＜K＜3。

由此可以总结出注入阶跃脉冲信号法绝缘监测选线的判据方法为：

向所监测的电力系统注入一个电压频率适当的阶跃脉冲信号，设置基波与三次谐波的幅值比整定值K_S与绝缘电阻整定值R_S；计算采集到的信号的基波与三次谐波幅值比K，与设定值进行比较；若K＜K_S则判定该支路绝缘正常，未发生绝缘故障；若K＞K_S，则判定该支路出现接地故障，发出绝缘下降预报警信号，并计算当前绝缘阻值R；若R小于整定值R_S则发出绝缘故障报警信号，由此完成基于阶跃脉冲序列信号注入法的电缆绝缘监测选线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (10)

1.一种适于煤矿电力系统的基于注入阶跃脉冲的电缆绝缘监测选线方法，向电力系统注入监测用的阶跃脉冲信号，依据用电支路上采集到的阶跃脉冲信号，计算阶跃脉冲信号的基波与三次谐波幅值比K，将基波与三次谐波幅值比K，与相应的整定值K_S进行比较，若K＜K_S，则判定该支路绝缘正常，未发生绝缘故障，若K＞K_S，则判定该支路出现绝缘故障，计算该支路的当前绝缘阻值R，将当前绝缘阻值R与相应的整定值R_S进行比较，如R＞R_S，则判定该支路出现明显绝缘故障，通过具有工频阻波功能的滤波电路向电力系统注入所述的阶跃脉冲信号，所述滤波电路由电容支路和电感支路并联而成，所述电容支路由电容为C₁的滤波电容器和工频阻波电路串联而成，所述电感电路由电感为L₁的滤波电感器和工频阻波电路串联而成，所述工频阻波电路由电容为C₂的阻波电容器和由电感为C₂的阻波电感器并联而成，所述C₁、L₁、C₂和C₂依据下列公式确定：

所述阶跃脉冲信号的角频率依据下列公式确定：

其中，ω_g为电力系统的工频，ω₁和ω₃分别为阶跃脉冲信号的基波和三次谐波的角频率，k为电力系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下的过补偿系数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于采用下列公式计算支路i的当前绝缘阻值R_i：

其中

U₁为注入的已知阶跃脉冲信号的母线对地基波电压幅值；I₁为支路i的基波电流信号经傅氏变换提取的幅值；I₃为支路i的三次谐波电流信号经傅氏变换提取的幅值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于采用下列公式计算基波与三次谐波幅值比K：

其中C_i+为支路i的分布电容，依据下列公式计算获得：

4.如权利要求1-3任意所述的方法，其特征在于所述滤波电路的输出经信号经隔离变压器注入到系统一次侧。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述滤波电路的输出侧经限流电阻R_L连接信号发生电路的阶跃脉冲信号输出。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于采用光耦元件作为直流电源输出的开关元件，以微处理器控制光耦元件以设定频率进行开关状态的切换，使直流电源输出所述的阶跃脉冲信号。

7.一种适于电缆绝缘监测的阶跃脉冲信号注入电路，其特征在于包括具有工频阻波功能的滤波电路，所述滤波电路由电容支路和电感支路并联而成，所述电容支路由电容为C₁的滤波电容器和工频阻波电路串联而成，所述电感电路由电感为L₁的滤波电感器和工频阻波电路串联而成，所述工频阻波电路由电容为C₂的阻波电容器和由电感为L₂的阻波电感器并联而成，所述C₁、L₁、C₂和L₂之间的关系依据下列公式确定：

其中，ω_g为电力系统的工频，ω₁和ω₃分别为阶跃脉冲信号的基波和三次谐波的角频率。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于还包括隔离变压器和限流电阻R_L，所述滤波电路的输出经隔离变压器注入到系统一次侧，所述滤波电路的输入经限流电阻R_L连接信号发生电路的阶跃脉冲信号输出。

9.如权利要求7或8所述的电路，其特征在于所述信号发生电路采用光耦元件作为直流电源输出的开关元件，以微处理器控制光耦元件以设定频率进行开关状态的切换，使直流电源输出所述的阶跃脉冲信号，所述阶跃脉冲信号的角频率依据下列公式确定：

其中，k为电力系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下的过补偿系数。

10.一种适于煤矿电力系统的基于注入阶跃脉冲的电缆绝缘监测选线装置，其特征在于，包括：

阶跃脉冲信号产生注入模块，用于产生阶跃脉冲信号并将其注入到电力系统，设有用于生成脉冲阶跃信号的信号发生电路和用于将阶跃信号注入电力系统的信号注入电路，所述信号注入电路采用权利要求7或8所述的适于电缆绝缘监测的阶跃脉冲信号注入电路，所述信号发生电路采用光耦元件作为直流电源输出的开关元件，以微处理器控制光耦元件以设定频率进行开关状态的切换，使直流电源输出所述的阶跃脉冲信号，所述阶跃脉冲信号的角频率依据下列公式确定：

其中，k为电力系统在发生接地故障后运行在过补偿状态下的过补偿系数；

监测信号采集模块，用于进行电力系统的各用电支路上脉冲阶跃信号的采集和调理，包括信号调理电路和用于采集相关用电支路上电流信号的若干电流传感器，所述信号调理电路包括依次连接的低通滤波电路、工频阻波电路、双频带通滤波电路和信号放大电路，各所述电流传感器的信号输出接入所述低通滤波电路，所述低通滤波电路用于滤除150Hz的高频噪音信号，其输出接入所述工频阻波电路的输入端，所述工频阻波电路用于滤除工频干扰信号，其输出接入所述双频带通滤波电路的输入端，所述双频带通滤波电路用于滤除除阶跃脉冲信号的基波和三次谐波以外的其他干扰信号，其输出接入所述信号放大电路的输入端，所述信号放大电路用于信号放大，其输出接入用作中央处理分析模块接口电路的A/D电路的输入端；

中央处理分析模块，用于进行信号分析和处理，进行绝缘故障判断和报警，包括CPU，所述CPU连接有A/D转换电路，所述A/D转换电路用于对源自所述信号放大电路的信号进行A/D转换，形成适于CPU处理的数字信号，所述CPU对A/D送入的数字信号进行计算分析，计算阶跃脉冲信号的基波与三次谐波幅值比K，将基波与三次谐波幅值比K与相应的整定值K_S进行比较，若K＜K_S，则判定该支路绝缘正常，未发生绝缘故障，若K＞K_S，则判定该支路出现绝缘故障，计算该支路的当前绝缘阻值R，将当前绝缘阻值R与相应的整定值R_S进行比较，如R＞R_S，则判定该支路出现明显绝缘故障。