矿井低压电缆绝缘参数在线检测的研究.docx
论文题目：矿井低压电缆绝缘参数在线检测的研究专业：电力系统及其自动化姓名：陆电（签名）导师：傅周兴（签名）摘要煤矿电网普遍采用的是中性点不接地工作方式，对电网的绝缘状态进行在线监测，有利于及时发现故障隐患，快速准确地判断故障线路，对提高电网的运行安全和供电可靠性具有重大意义。本文针对煤矿电网的运行特点，提出了基于附加低频电源的电缆绝缘参数监测方法，即向电网叠加低频信号，通过测量低频电压、低频电流，实现电缆对地绝缘电阻和对地电容的测量。理论分析表明，该方法不仅能检测电缆绝缘参数，而且还可实现绝缘支路故障定位。采用MATLAB/SIMULINK仿真技术，对分析结果和测量绝缘参数的方法进行了仿真。仿真实验表明，建模及理论分析结果正确；附加低频电源测量绝缘参数的方法可准确的测量对地绝缘电阻和对地电容，测量精度高；不仅能实现分支电缆出线对地绝缘参数的在线监测，还可实现井下电网的选择性漏电保护；导线分布电容大小对测量精度有影响；信号频率的选择直接影响到测量精度。最后采用附加低频电源法设计以C8051F020单片机为控制核心的检测单元,包括设计系统硬件和软件。给出各个模块的硬件电路和该电路的原理分析，并给出系统软件流程图；设计并实现了低频信号源。理论分析和仿真实验表明，该测量方法具有测量准确、通用性广的特点，具有良好的工程应用前景。关键词：绝缘参数；附加低频电源；在线检测；仿真；电路设计论文类型：应用研究Subject:ResearchontheOn-lineMonitoringofInsulationParameterofMineLowVoltageCablesSpecialty：PowerSystem&AutomationName:LuDian(Signature)Instructor:FuZhouXing(Signature)ABSTRACTAmethodofnon-groundedneutralpointiswidelyusedinthepowersystemofmine.Wecanquicklyfindoutthefaultylineviatheonlineinsulationmonitoringsystem,andit,simportanttoimprovethesecurityofperformanceandreliabilityofpowersystem,ssupply.Byanalyzingthebehaviorofmine'spowersystem,anewmethodbasedonadditionallowfrequencysignalispresented.Alowfrequencysignalisinjectedintolowvoltageundergroundpowersystem.Bymeasuringlow-frequencyvoltageandlow-frequencycurrent,insulationparameterscanbecalculated.Andtheoreticalanalysisshowsthat,thismethodcannotonlymeasurecable,sinsulationparameters,butalsocarryoutfaultylocationoftheinsulationbranch.ByMATLABS1MULINKsimulationtechnology,analysisresultandthemethodofmeasuringinsulationparametersaresimulated.Simulationexperimentshowsthat,modelingandtheoreticalanalysisresultsarecorrect,themethodofadditionallowfrequencypowermeasuringinsulationparameterscanexactlymeasureinsulationresistanceandcapacitancetoground,themeasuringaccuracyisgood,itcancarryoutnotonlyon-linemonitoring,butalsoselectiveleakageprotectionofundergroundelectricnetwork,thevalueofdistributedcapacitorhaseffectonmeasuringprecision,theselectionofsignalfrequencyhasdirecteffectonmeasuringprecision.Intheend,thedetectionunitwithC8051F020asitscoreandadoptingmeasuringmethodbasingonadditionallowfrequencysignal,includinghardwareandsoftwaredesigns.Eachmodel,shardwarecircuitandprincipleanalysisofthesecircuitisgiven,andsystemsoftwareflowsheetisalsogiven.Lowfrequencysignalsourceisdesignedandrealized.Theoreticalanalysisandsimulationresultsshowthatthemethodisaccurate,anditcanapplytomanyareas.Ithasgoodprospectsforengineeringapplications.On-linemonitoringSimulationCircuitdesignThesis：ApplicationResearch目录1绪论11.1 课题的背景及研究意义11.1.1 课题的背景11.1.2 研究意义11.2 本课题在国内外的发展及研究现状11.2.1 附加直流电源法21.2.2 工频法21.2.3 附加低频电源法31.3 本论文的主要工作42附加低频电源法原理分析52.1 概述52.2 矿井低压电缆绝缘参数在线监测原理52.2.1 单回路绝缘监测原理分析52.2.2 多回路绝缘检测原理分析72.2.3 分布电容及低频信号频率对检测精度的影响92.3 信号的加入方式102.4 低频信号的算法102.5 低频信号源102.5.1 信号源功率102.5.2 低频信号的频率112.5.3 低频幅值的确定122.6 检测装置和设备的相互影响122.7 本章小结133附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真143.1 系统模型的建立和实现143.1.1 仿真软件的选取143.1.2 仿真参数的确定143.1.3 仿真模型的建立153.2 单回路仿真163.2.1 各种绝缘下降的仿真163.2.2 单相接地故障173.2.3 低频信号的频率对绝缘参数检测精度的影响173.2.4 检测绝缘电阻的精度随电容变化的情况173.2.5 绝缘电阻的精度随低频电压、频率变化的情况183.2.6 叠加信号对电网的影响193.2.7 电网对低频信号的影响193.3 故障选线203.4 本章小结214绝缘检测系统硬件设计224.1 检测系统硬件的总体设计224.2 中央处理单元的选择234.3 信号采集单元244.3.1 电压形成回路244.3.2 滤波器设计254.3.3 前置放大电路274.3.4 电平提升电路284.3.5 采样保持电路294.4 A/D转换304.5 LCD1602显示电路304.6 报警电路314.7 电源单元324.8 低频信号源设计334.8.1 产生正弦波的常用硬件方法344.8.2 产生正弦波的常用软件方法344.8.3 D/A转换产生正弦波344.8.4 功率放大电路的设计354.8.5 工频陷波器364.9 抗干扰措施374.10 本章小结375软件设计及算法385.1 系统软件开发环境385.2 系统软件设计原则385.3 系统软件结构385.4 监控主程序设计395.5 功能模块子程序设计415.5.1 初始化模块415.5.2 正弦波产生模块425.5.3 数据采集模块425.5.4 数据处理程序模块445.5.5 LCD显示模块455.6 软件算法455.6.1 常用算法概述455.6.2 傅氏算法的基本原理455.6.3 绝缘参数的求解475.7 本章小结486结论496.1 论文工作总结496.2 后续工作49致谢50参考文献51附录541绪论1.1 课题的背景及研究意义1.1.1 课题的背景在煤矿系统中，大部分供电线路为电缆供电。井下空间狭小、环境恶劣、阴暗潮湿，电缆在运行过程中，因机械损伤、操作过电压和水分的逐渐渗入，在电场长期作用下内部会出现局部放电的现象，引起老化和绝缘电阻下降。电缆绝缘电阻的下降会导致漏电流，不但可能导致人身触电，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路。对于绝缘水平比较薄弱的煤矿井下电网，如不及时断开故障馈线，会引起系统的连锁反应，严重时会引发电弧造成瓦斯和煤尘爆炸。据统计，在供电事故中，电缆事故占70%左右，故预防及减少电缆事故至关重要uz。为确保矿井安全，减少因单相接地引起的瓦斯、煤尘爆炸的危险性。煤矿安全规程规定：“井下低压馈电线上，应装设带有漏电闭锁的检漏保护装置或有选择性的检漏保护装置。发现检漏装置有故障或网路绝缘降低时，应立即停电处理，修复后方可送电”。1.1.2 研究意义自从在井下引用漏电保护装置以来，漏电保护技术发展迅速，设备不断更新。无论采用何种原理，井下的绝缘参数检测是漏电保护装置的薄弱环节之一，它关系到漏电保护装置的可靠性及相关功能的强弱。而且绝缘参数也是影响电网人身触电电流、单相接地电流大小的主要因素，是接地保护、消弧系统调节等设备研究设计的依据，更是涉及电网安全运行的主要参数，因此必须经常进行测量或监视。1.2 本课题在国内外的发展及研究现状随着生产发展和自动化技术的提高，很多场合需要对电缆绝缘参数进行测量与监控。但对绝缘参数的测量或监视应在电网处于工作状态下进行，否则便不能反映电网的实际绝缘情况网。常见的在线检测方法有直流成分法6】、绝缘介质损耗法49、局部放电法比8|、接地线电流法4刃、附加直流电源法、工频法、附加低频电源法。但以上前四种针对的是聚氯乙稀、交联聚乙烯等类型的高压电力电缆。而低压配电网电线电缆绝缘优劣的判定依据主要是绝缘电阻。因此，针对低压配电网电线电缆特点，主要有附加直流电源的方法、工频法、附加低频电源法等适合于矿井特殊的环境。1.2.1 附加直流电源法煤矿井下低压电网一直采用附加直流电源的方法和装置来检测全电网的绝缘电阻状况。如图1.1所示，将直流信号经大地、绝缘电阻进入电网，再经三相电抗器SK、零序电感线圈LK构成回路。这样，在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流通，该电流大小的变化反映了电网对地绝缘电阻的变化。有效地检测和利用该电流，就可以构成附加直流检测式漏电保护。其电网对地绝缘电阻值通过欧姆表来反映图Ll附加直流电源法附加直流电源法可监视由同一变压器供电的支路电缆对地绝缘电阻的并联值，但不能检测出对地电容。而且在实践中人们发现，采用附加直流电源来检测电网对地绝缘阻抗并不能反映电网的真实情况。一方面，它不能反映电网的对地电容，因电容是隔直的；另一方面，用这种方法所测得的电阻也是不真实的，而且误差比较大。因为电网对地的绝缘电阻是交流电阻，当采用附加直流电源法测得数据显示低压配电网绝缘水平在安全范围之内时.，并不能完全排除不安全因素的存在。用直流方法来测量，不会得出准确的结果。1.2.2 工频法工频法利用在三相电抗器组成的中性点处加入与电网电压频率一致的低压交流电压，即如图1.2所示将此电压加在电缆上原已施加的交流相电压上，通过测交流电压US和交流电流/S,实现电缆对地绝缘电阻和对地电容的测量囚，2叫图1.2工频法此法不用附加电源，即可求得绝缘参数，方法较简单，但误差较严重。井下电网的电压及负荷不可能做到绝对对称，电网不平衡时，在电抗器中性点就会产生零序电压。该零序电压必定在电流取样元件上产生零序电流分量，造成测量误差。电网波动时也产生误差。1.2.3 附加低频电源法如图1.3所示，在三相交流电网中叠加一低频信号，经三相电抗器SK进入电网，再由电网的对地阻抗入地，与限流电阻R构成低频电流回路。此回路低频电流大小和相位移随电网对地阻抗的不同而变化，利用三相电抗器各支路上的电流互感器测得各路低频电流，利用附加的低频电压与该电流，便可求出各支路的绝缘阻抗值”22425。r»TR采用附加低频电源法在线检测的交流阻抗要比采用附加直流电源法测得的直流绝缘电阻更加接近实际情况。同时，附加低频电源法可以将绝缘漏电流中的容性成分和阻性成分分离开来，充分再现绝缘实际状况。综上几种方法，可见采用附加低频电源法，不仅能测出绝缘电阻、对地电容，而且受干扰相对较小、误差小，本课题采用附加低频电源法来实现对绝缘参数的测量。本课题将采用低频交流信号源作为测试信号，可以对干线和支路进行巡检，实现网络绝缘检测。这样可以及时处理隐患，合理安排生产，就能有效地避免电弧或电火花以及过电压的发生，避免了放炮、燃烧、火灾等许多事故的发生，减少了事故造成的经济损失，提高了供电可靠性。并且装置可将现场数据送往地面主站计算机，实现绝缘阻抗的远距离监视。若和选择性漏电保护装置配合使用，可使电网成为安全监测供电系统，进一步提高了电网和人身安全。1.3 本论文的主要工作本课题综合考虑目前关于井下低压电网绝缘监测的研究状况，采用附加低频电源的检测方法，可以连续测量总绝缘阻抗和各支路的绝缘阻抗。该方法不但可以测量出绝缘电阻，而且也可以测出电网对地分布电容，这就给漏电保护系统提供了动作电阻更可靠的整定方式。本文主要工作包括以下几部分：(1)分析了附加低频电源法监测低压电缆绝缘参数原理，并得出利用该法可实现故障选线的结论。对信号源的技术要求及信号源加入系统方法作了探讨；根据实际情况,确定了低频信号频率的可选择范围；分析了分布电容、信号频率对该法的影响。讨论检测装置与主体设备相互影响问题。(2)基于MATLAB/SIMULINK的仿真技术，采用附加低频电源法实现在线监测电缆线路绝缘参数。仿真表明该法能准确测量绝缘参数，对地电容、信号频率影响检测精度。(3)基于C8051F020单片机设计单相绝缘监测装置，重点介绍了绝缘装置的软、硬件实现方式。包括装置的硬件电路整体设计方案、主要模块的搭建及芯片选取、系统的软件设计及其抗干扰措施，设计并实现了低频信号源。2附加低频电源法原理分析2.1 概述对电网的绝缘状态进行在线监测，有利于及时发现故障隐患，快速准确地判断故障线路，对提高电网的运行安全和供电可靠性具有重大意义。本文针对矿井电网的运行特点，采用了基于叠加低频电源的绝缘监测新方法，进行了理论分析，证实了其可行性。2.2 矿井低压电缆绝缘参数在线监测原理2.2.1 单回路绝缘监测原理分析附加低频电源法的基本原理是在三相交流电网中附加一个低频电源信号。其原理图如图2.1所示，低频电源U经隔离变压器输出，经三相电抗器SK进入电网，再由电网的对地电容、绝缘电阻入地，再经限流电阻Rl形成低频电流回路。利用三相电抗器上的高灵敏度电流互感器二次输出相应的电流信号，通过对低频电压、低频电流信号进行处理与计算，即可求得电缆的绝缘参数，从而实现线路绝缘参数的在线监侧。当绝缘参数对称时，三相电抗器感性电流对电缆绝缘参数无影响；当发生接地故障时，三相电抗器的感性电流会对漏电流的容性分量进行补偿。图2.1附加低频电源法检测原理图其中A相绝缘参数检测等效电路图如图2.2所示:UX2VV5R< J»T图2.2 A相附加低频法等效电路图则有= i(jX + R + +jXs + jXi + Rj-v-!)(2.1)1" jcoC.RA对低频信号而言，隔离变压器阻抗Xi、限流电阻R、三相电抗器Xsk、线路阻抗X2、接地电阻RJ等引入的阻抗值与绝缘电阻RA相比，可以忽略不计。则： 1U = K-)F JcoCa RA(2.2)整理得Ra = cos 6(1 + tan 2 6) Ia(2.3)C U Sine(I+ tan 2 6)Ca =；(2.4)I coR"其中U为低频电压幅值；/a为低频电流幅值；。为低频电压与低频电流的夹角；为角 频率。同理Rh = cos 6(1 + tan2 O') Ib(2.5)U sin (1 +tan2 )Ib CRt(2.6)Rc=cos(l+tan2)(2.7)IcUsin<9(1+tan2<9)、IcRc1当发生A相接地故障时，等效电路如图2.3所示。此时隔离变压器阻抗Xi、三相电抗器Xsk、线路阻抗X2等其阻性部分和限流电阻Ri、接地电阻RJ不能再忽略，一般它们的值是不变的，可等效为Rx,故障电阻为Rg,则R='RZ(2.9)Rl OJi uRgL«T X2ll S> R图2.3A相故障等效电路图同理当B相或C相发生接地故障时，故障电阻值也可用式(2.9)计算。只将公式中的IA换成Ib、IC就可以了。2.2.2 多回路绝缘检测原理分析多回路的绝缘检测及故障支路定位如图2.4所示(设供电系统带三条回路LI、L2、L3)。低频电源经隔离变压器输出，经限流电阻R2,再经三相电抗器SK进入电网，再由电网的对地电容、绝缘电阻入地，与接地电阻R3构成低频电流回路。通过在每回路三条支线上设置电流互感器，对输出电流和低频电压进行处理，可实现各回路每相绝缘参数在线监测，同时又可实现各个I可路的自然选线功能。图2.4多支路绝缘检测原理图(2.10)(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)当A相绝缘良好时，电阻值很大。三相电抗器、线路阻抗、限流电阻、接地电阻相对A相电阻值来说很小，可忽略不计，则A相绝缘检测等效电路图如图2.5所示，则有:U_1IAi二-+J(I)CmIm式(2.10)即可等效为以下两式：UCRAicos=5Im1+CRAi2CAi2U.QG)RAFCAi1.s,1+2C由式(2.11)与式(2.联立可得Ra,=cos6(1+tan2)IAiCUsin(l+tan2)Gu=-2IAi(DRAi其中U为低频电压值；为角频率；。为相位角；加为A相第，支路低频电流值；RAi为A相第，支路绝缘电阻值；Ci为A相第i支路电容值；同理可得：Rm=cos(÷tan2)(2.15)ImUsin<9(1+tan26>)Cm=；(2.16)ImG)RBiRCr=cos(+tan2)(2.17)IaUSine(I+tan2夕)Ca=：<2.loIaR2ci图2.5A相多回路附加低频电源法等效电路图可见如果先由微机计算出各回路各相低频电流信号值，再根据各相绝缘参数公式，考虑互感器的变化关系，则各回路每相的绝缘参数即可很方便地算出。当线路绝缘电阻降低到装置设定值时，报警电路发出报警信号，提醒工作人员进行处理，从而实现预防性检修，将各种故障消除在萌芽状态。当某一出线发生接地或漏电故障时，分析图2.5可知，故障回路故障相的低频电流会突然增大，检测到的电阻值很小，而非故障相阻值基本不变，通过比较绝缘电阻值能准确判断出故障线路。因此，采用这种方法除可实现全电网各分支出线的在线绝缘监测外，还可实现有选择性的漏电保护，即实现故障选线功能。该测量方法的选择性，并不是根据零序电流的大小和方向来判别故障支路，而是在单片机的控制下对各个支路进行测量，并比较测量结果而动作。这种选择方式，简便易行，无论是电网单相对地绝缘下降还是三相对地绝缘均匀下降，都能可靠检测。2.2.3 分布电容及低频信号频率对检测精度的影响叠加的低频信号主要分成了2个部分：一部分通过绝缘电阻流入大地，另一部分通过对地电容流入大地，即r=UR,gCU°当分布电容越大或是加入频率越大时，容性电流越大，从工程角度来讲，分离阻性电流时误差就比较大，检测精度会下降。因此在电网分布电容一定时.，可通过减小低频信号频率来增强检测效果。2.3 信号的加入方式系统发生单相接地故障时，系统中性点电压高达相电压，考虑绝缘和安全问题，不能将附加信号源直接接入一次系统中。只能将低频信号耦合到一次系统。矿井低压电网采用中性点不接地方式，电压等级比较低，可通过人为设置中性点加入低频信号，本设计采用常用于漏电保护装置的三相电抗器。2.4 低频信号的算法对于在线绝缘监视来说，对实时性要求不是很高，所以一般都有足够的处理时间，这样就可以选取较为精确的算法，从而获得较高的计算精度，并降低对信号源强度的要求。当频率为/的信号源加入后，通过电流互感器检测到的电流信号包含有工频和低频信号，为了求得加入低频信号源单独作用时的电流响应，将电流传感器检测到的电流信号经选频网络后，只剩下低频信号，这时采用傅里叶算法计算出低频信号。采用这种算法可以减少外围测量相位角的电路，使检测装置更简单。因此，本设计采用傅立叶算法来获取低频信号有效值及其相位差。2.5 低频信号源不管哪种方式将信号耦合到故障一次系统，利用加入信号进行绝缘检测和故障定位，都不应影响系统的正常运行，也不能影响信号耦合设备的正常运行。因此，叠加信号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的信号。为便于检测，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同。2.5.1 信号源功率加入的低频信号源应以调节方便、功耗小的原则为准。因井下电缆绝缘正常时，绝缘电阻阻值在几十千欧至几百千欧之间口2,因此信号源功率不需很大，几瓦就可满足。为了防止被检测的绝缘电阻过小而导致电源输出电流过大现象，在电源输出端串联一电阻，作为电源内阻，以限制输出电流。信号源可考虑恒压源或恒流源两种。根据定义，恒压源相当于内阻极小，输出电压固定的电源；而恒流源则相当于输出电流恒定，内阻无穷大的电源。矿井电网发生故障时.，出于人身安全考虑，电流与触电时间乘积不应大于30mASo本设计采用单片机产生恒压信号源，可减少外围电路。2.5.2 低频信号的频率电力系统运行中，谐波的存在是不可避免的，而且强度也可能比加入的低频信号大。为避免谐波电流产生磁场的干扰，加入信号的频率的选择必须有利于避免工频及其各次谐波的干扰。理论上加入信号频率可有以下几种。(1)信号的频率介于工频与+1(为自然数)次谐波之间刖】nfi<<(n÷l)/.(2.20)式中力为工频信号的频率，启g为外加信号频率。这样可以避免外加的信号被固有的信号所掩盖，也就可以设法从包含大量干扰的信号中检测出有用的信息。理论上，可取任意值。实际上，若取值较小，信号源频率与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的信号电流。若取值较大，一方面，系统分布电容容抗Xc=nC,由于信号频率升高而变小，容性电容电流增大，不利于信号电流的检测。另一方面，线路感抗XL=WM由于信号频率升高而增大，不能再忽略不计，增加了加入信号的检测难度。(2)加入信号频率为工频1050倍由于多数非线性电力负荷产生奇次谐波电流，为便于提取低频电流，所以信号源频率取工频偶次谐波。但这种方式也有前述的弊端。(3)加入低频信号考虑到矿井特殊环境，如加入信号频率很高，当发生接地故障时，容性电流会很大,有可能产生煤尘、瓦斯爆炸。因此选用叠加低频信号检测绝缘参数。叠加频率的选择直接影响到该法应用于电网绝缘检测及其故障支路定位的效果，为此应按以下原则确定：应该尽可能的低，以尽量减少电网对地电容对检测精度的影响，同时，低于50HZ的低频信号频率不会与电网正常的各种工作频率产生冲突。要保障信号易于提取和检测。保证传感器对微弱电流的测量精度。加入的正弦波频率稳定、波形畸变系数小。根据以上要求，分析并确定合适的加入频率。首先看原则对加入频率的要求，当加入频率为了时，故障支路的电流包括阻性电流和容性电流，并分别为U/R和2*。令支路绝缘故障电阻报警值为IIkQ,支路对地电容小于等于l.lF时，通过MArLAB仿真，则不同的对地电容和加入频率对应的阻性电流和容性电流比如表2.1所示。表2对应的阻性电流和容性电流比CF/Hz604030201051.10.190.290.390.601.202.30.60.330.510.701.032.094.120.30.751.201.622.414.859.8如果令rc>0.2为阻性电流和容性电流的可比条件，即当加入频率使该条件满足时，能保证工程上测量精度的需要WL于是，当支路对地电容小于等于LlF时，加入频率应小于60Hzo同时考虑原则和时，令频率的高限和低限分别定为60Hz和5Hzo2.5.3 低频幅值的确定对供电电缆绝缘状态进行检测，一旦发现漏电或单相接地故障，则检测回路产生的电火花能量不允许引爆瓦斯和煤尘。同时还考虑到负荷侧还未送电时，工人可能对电气设备进行维修，如果检测电压过高，一旦人身接触，便可能发生触电危险。另外，有关安全电压的规定对现场实际有特别的意义，安全电流与人体电阻的乘积就称为安全电压。在我国，在有高度危险的条件下（如潮湿的场所）安全电压采用36V；在特别危机的条件下（如潮湿酸性场所），安全电压采用12V0因此，检测电压不宜过高。系统设计时，将低频检测电压选为20V。2.6 检测装置和设备的相互影响在线检测必须要能保证检测装置不能影响主体设备的正常工作，主体设备的工作不应对检测装置和检测结果产生影响。（1）检测装置对主体设备的影响检测装置的供电和采样均有隔离电路，以保证主体设备和检测装置的隔离。讨论对主体设备影响时，检测系统可等效为20V低频电源和限流电阻凡串联（限流电阻约为lk）o设备正常情况下，主体设备对地浮空，检测不能构成回路。此时，仅有极微小的漏电流经绝缘电阻和串联电阻流过设备和检测系统。对设备而言，原对地浮空变为对地有20V的低频电压，但设备的工作不会受到影响。当设备绝缘损坏时，即可等效为一电阻与绝缘参数并联。不妨设想成最坏情形，即设备绝缘电阻为0。则检测时，相当于一个有源回路（20V低频交流电源加Ri电阻）加在设备上。此有源回路的内阻为lko由于被测电缆为660V（假设矿井电压等级）的强电回路，其电缆电压由电源直接控制J,电源输出电流能力均在数安和几十安培以上（即电源内阻很小）。检测时，检测回路和原设备回路同时控制负载。由于电缆的低内阻性质和检测回路的相对高阻隔离性质，负载电流主要由原设备回路提供，检测回路对负载工作基本无影响。（2）主体设备对检测的影响主体设备对检测系统的影响表现在两个方面，即对采样电路和低频信号源的影响。采样信号可通过电流互感器传至采样电路，以克服过电压对采样及处理电路的损害，用滤波电路消除对测试精度的影响。我们知道，当电网对地阻抗不对称时，变压器中性点对地便会出现电位差，即零序电压，最高可至相电压。该零序电压必然加在三相电抗器的人为中性点与地之间，如没有很好的滤波电路，就会直接作用到检测回路。为此在低频信号源后加入50HZ陷波器，使电路正常工作。2.7 本章小结通过理论分析，针对煤矿电网实际情况，本章详细分析了附加低频电源法检测低压电缆绝缘参数的原理，提出用该法对低压电网故障支路定位；分析了对地电容及信号频率对测量精度；介绍了低频信号源及其加入故障系统的方法；给出了获取加入低频电量的算法；分析了叠加频率的选择原则，确定了其选择范围；讨论检测装置和设备相互影响问题。3附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真3.1 系统模型的建立和实现本章以MATLAB软件为工具，对附加低频电源测量绝缘参数的方法进行仿真验证。验证该方法的正确性，以及验证采用该法实现故障选线的正确性。3.1.1 仿真软件的选取对电力系统的工程仿真而言，数学模型是否真实描述实际情况，将很大程度上影响仿真能否取得成功。MATLAB软件在数值处理和图形处理方面提供了完善的解决方案。具有编程效率高、程序设计灵活、图形功能强等优点，己发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件阳）。MATLAB提供了图形化的电力系统仿真工具箱SimPowerSystem,该工具箱中包括了典型的电力系统装置，如变压器、传输线、发电机和电力电子装置等。通过对电力系统的电路图绘制，MATLAB能自动生成数学模型，有效的节省了建立电力系统数学模型的时间，而且与之相联系的机械、热力、控制系统及其它设备规律的分析均包含在其中。选取MATLAB软件用于本系统的仿真还有以下原因：（1）电力系统仿真工具箱功能强大。工具箱内部的元件库提供了各种经常使用的电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程方式创建合适的元件模型。（2）强大的MATLAB平台。MATLAB的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应用尤为重要。MATLAB提供的信号处理工具箱、数字信号处理模块、滤波器设计工具箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱，为经过电力仿真后的数据处理提供了功能齐全的分析手段。（3）友好的界面。界面的优劣充分体现了软件使用的难易程度。从电力系统仿真到数值计算、图形处理，再到信号分析，MATLAB提供给技术人员和科研人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是使这些技术的使用变得尤为轻松简单。（4）测量方法中需要检测低频电流和低频有效值和相位。MATLAB软件的电力系统分析元件模型（POWergUi）中的稳态电压和电流分析工具（Steady-StateVoltagesandCurrents）可直接观察到需要的物理量的大小和相位。3.1.2 仿真参数的确定电缆的电气参数如下:型号：UC-3×35动力线芯截面积：S=35mm2;动力线芯电阻：/=0.56km;绝缘电阻：/*70kQkm;导体电抗：Xo=O.64km(Lo=O.2O38mHkm)；导体工作取电容：Co=0.2Fkmo3.1.3 仿真模型的建立在Simulink环境下，在电力系统仿真模块库中选择系统仿真所需要的各个模块,搭建仿真模型如图3.1所示，该模型主要包括电源模块、变压器模块、负载模块、电流表模块、滤波器和示波器模块，以及电容、电阻模块等。(1)电压为6kV,变压器选用两绕组三相变压器，变比为6kV660V0(2)实际线路的较短，系统的电压等级较低(660V),工作频率也不高，所以线路采用产型电路。这样可通过改变线路长度参数仿真不同对地电容对检测的影响。(3)对于线路的负荷，负教选用三相串联RLC负载并且设置负载为感性。(4)低频电源电压设为20V,频率为IoHz。低频电源经隔离变压器输出，经限流电阻Ro、三相电抗器SK进入电网。同时在三相电抗器上套接高灵敏度电流互感器，然后将采集到的电流信号通过低通滤波器滤波，最后在示波器上显示所需频率的波形。TJ>>&Multimeter图3.1附加低频电源法绝缘检测仿真图3.2 单回路仿真3.2.1 各种绝缘下降的仿真我国低压电网每相的交流绝缘电阻大致在几十千欧至几百千欧之间，对地分布电容大致在0.1F至1.0F"2.因此，在以下所有仿真中，绝缘参数的设置以此为依据。当绝缘参数对称时，设Ra=Rb=RC=100kQ,Ca=Cb=Cc=OJgF,低频信号波形如图3.2所示；当绝缘参数不对称时，设Rl=IlkQ,Rb=Rc=100kC,低频信号波形如图3.3所示。横坐标为时间，单位为S,纵坐标为电流，单位为A。图3.2三相对称时低频电流波形图3.3三相不对称时低频电流波形可见当三相对称时，仅有低频信号流过绝缘参数；而当三相不对称时，如发生单相故障，这时流过接地电阻的是低频信号和不平衡时产生的零序电流的叠加值。改变绝缘参数并进行仿真，根据测得的低频电流值、低频电压值及其相位角，代入绝缘参数计算公式可得各种绝缘状况下的绝缘参数值，如表3.1所示。从表中可看出，采用附加低频电源法能较准确算出各相绝缘参数。不论绝缘参数是三相对称下降，还是单相、两相下降，该法均能准确测量出绝缘参数，而且误差很小。当绝缘电阻阻值很大时，误差稍大，这是因为绝缘电阻越高，被测低频信号越小，经传感器提取信号误差大。表3各相绝缘电阻值的检测Rak理论值Rak实际值RjgRck误差RbZkQRckRa%R%Rc%3003003002962962961.41.41.410030030099.2296.5296.50.81.21.25010050050.299.74910.20.31.21150040011.034824180.23.64.53.2.2 单相接地故障当发生单相接地故障时，如表3.2所示，A相有故障电阻Rg,其余B、C两相绝缘良好。叠加信号幅值为20V,频率为IOHz0只要能准确测量出低频电流信号就可以求出故障电阻值，而且误差很小。表3.2故障电阻的检测理论值电流实际值误差Rgk/mARgk%102.039.903172.706.990.253.594.980.4112.029960.43.2.3 低频信号的频率对绝缘参数检测精度的影响设定心、Rb、RC分别为IlkC、800k>800k,对地电容均为0.3F,当改变低频信号频率时，检测绝缘参数的精度随频率变化的情况，如表3.3所示。表3.3检测绝缘参数的精度随频率变化的情况频率电流相位差实际值误差/Hz/mA°RkCFR%Ca%101.72423.710.800.29910.4402.26039.010.7
