一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方法

摘要

一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方法，所述方法包括井下低压电网三相电缆分布参数建模，列出三相电缆分布模型的微分方程，根据模型建立电流及电压联立方程，并分别带入各相始端电流及电压求出各相电缆的电流分布表达式，用各相电缆的始端电流值减去其各相电流分布表达式，即为各相泄漏电流，将各相泄漏电流相加，即为煤矿井下交流杂散电流分布的表达式，通过井下杂散电流检测仪测量线路各位置处的杂散电流，与杂散电流分布的理论值进行对比分析，判断井下电缆的绝缘是否受损。本方法为诊断、评估煤矿井下电缆的绝缘状况提供了有效依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下电缆绝缘的诊断方法，特别是一种基于煤矿井下 交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方法。

技术背景

近年来，随着矿井综合机械化采煤工艺的发展，矿井电网电压等级在不断 攀升，杂散电流所引发的瓦斯爆燃、瓦斯爆炸等安全事故占矿井事故的比重也 在不断提高。据统计，在我国煤矿机电事故中，杂散电流引发的火灾和瓦斯爆 炸事故约占总数的25％～35％，因此由杂散电流引起的各类安全事故已成为影响 井下安全生产的重要隐患。井下杂散电流不仅能导致电雷管发生早爆现象，还 能引起瓦斯爆燃和爆炸事故。除此之外，它还腐蚀电缆外皮及风、水、瓦斯管 路，甚至导致井下检漏装置发生误动作，影响井下供电系统和通讯系统的正常 工作。而引起交流杂散电流的主要原因是由于井下三相电缆的绝缘受损及不平 衡引起的，因此，研究一种基于杂散电流分布的电缆绝缘的诊断方法，对消除 杂散电流，预防井下事故发生具有重要的现实意义。

目前，关于井下交流杂散电流并没有系统的研究，零序电流作为井下交流 杂散电流的主要来源，它的研究主要以集中参数模型为基础，其目的是要计算 出零序电流的大小。考虑到杂散电流的大小在沿线各个点都不相同，而采用集 中参数模型的计算方法并不能得出杂散电流沿线的分布规律，所以有必要研究 一种能够分析井下交流杂散电流分布的计算方法，并以此为基础来进行绝缘健 康状况的诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断 方法。

具体技术方案如下。

一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方法，所述诊断方法 是按下列步骤进行的：

(1)采用分布参数等值电路对三相电缆的单相线路进行建模；

(2)对三相电缆各相列出其描述分布模型的微分方程，得到各相电缆的电 流分布的表达式；设相电压为相电流为电缆单位长度阻抗为Z₀＝R₀+jωL₀， 电缆单位长度对地导纳为Y₀＝G₀+jωC₀，则基于分布模型的微分方程组为： $\frac{d^2\stackrel{·}{U}}{{\mathrm{dx}}^2}=Z_0\frac{d\stackrel{·}{I}}{dx},\frac{d^2\stackrel{·}{I}}{{\mathrm{dx}}^2}=Y_0\frac{d\stackrel{·}{U}}{dx};$

(3)同时采集三相电缆始端电压信号及电流信号分别带入上述微分方程组，求出三相电缆沿电缆延伸方向的电流分布其中A，B，C代表电缆的三相；

(4)分别用各相的始端电流减去电流分布表达式，即为各相泄漏电流的表 达式；假设交流杂散电流为将各相的泄漏电流表达式相加，即为杂散电流的 表达式，表示为${\stackrel{·}{I}}_S={\stackrel{·}{I}}_A+{\stackrel{·}{I}}_B+{\stackrel{·}{I}}_C-{\stackrel{·}{I}}_A\left(x\right)-{\stackrel{·}{I}}_B\left(x\right)-{\stackrel{·}{I}}_C\left(x\right);$

(5)将由向量形式化为时域形式，取时间t为0，将杂散电流变化为随 距离x变化的形式i_S(x)；

(6)通过检测井下沿线各位置处的杂散电流值并对比理论计算值，可确定 井下电缆绝缘的健康状况。

上述技术方案中，所述分布模型是电缆单位长度电阻R₀，电缆单位长度电 感L₀，电缆单位长度对地电容C₀和电缆单位长度对地电导G₀；其模型假设电缆 是由许多无穷小微元dx组成，电缆参数及电缆对地导纳是均匀分布的，每一个 微元具有电阻R₀dx和电感L₀dx，对地间拥有电容C₀dx和电导G₀dx。

本发明所提供的一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方 法，是基于分布参数模型计算井下交流杂散电流的分布，并以此作为依据来判 定井下电缆的绝缘状况。本发明中的关于交流杂散电流的分布计算方法与现有 的杂散电流计算方法相比具有如下优点。

一是采用的分布模型结构简单，所需的变量较少，便于计算。

二是采用分布参数模型，能够计算出电缆沿线各位置处的杂散电流，能够 更好的分析杂散电流。

三是直接采用变压器二次侧始端电流进行计算，有利于确保精度，无需经 过其他的中间处理环节。

附图说明

图1是本方法所采用的单相电缆等效模型。

图2是本方法矿井下供电线路接线图。

图3是本方法矿井下采区变压器二次侧三相电缆线路示意图。

图4是本方法计算得到的A相电缆某一时刻沿电缆方向的电流分布图。

图5是本方法计算得到的交流杂散电流沿电缆方向的分布图。

具体实施方案

下面结合附图及实施案例对本发明所涉及的基于煤矿井下交流杂散电流分 布的电缆绝缘诊断方法进行详细说明。

实施本发明提供的一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方 法，该方法包括初始阶段及计算仿真阶段，在以下步骤中，第一步和第二步为 初始算法推导阶段；第三步和第四步为计算阶段；第五步和第六步为转化仿真 阶段；其包括按顺序进行的下列步骤。

第一步；采用分布参数等值电路对三相电缆的单相线路进行建模。

第二步；对三相电缆各相列出其描述分布模型的微分方程，得到各相电缆 的电流分布的表达式；设相电压为相电流为电缆单位长度阻抗为 Z₀＝R₀+jωL₀，电缆单位长度对地导纳为Y₀＝G₀+jωC₀，则基于分布模型的微分方 程组为：$\frac{d^2\stackrel{·}{U}}{{\mathrm{dx}}^2}=Z_0\frac{d\stackrel{·}{I}}{dx},\frac{d^2\stackrel{·}{I}}{{\mathrm{dx}}^2}=Y_0\frac{d\stackrel{·}{U}}{dx}.$

第三步：同时采集三相电缆在变压器1140V侧的始端电压信号及电流信号分别带入上述微分组，求出三相电缆中随电缆延伸电 流的分布其中A，B，C代表电缆的三相。

第四步；分别用各相的始端电流减去电流分布表达式即为各相泄漏电流的 表达式；假设交流杂散电流为把各相的泄漏电流表达式相加即为交流杂散电 流表达式，表示为${\stackrel{·}{I}}_S={\stackrel{·}{I}}_A+{\stackrel{·}{I}}_B+{\stackrel{·}{I}}_C-{\stackrel{·}{I}}_A\left(x\right)-{\stackrel{·}{I}}_B\left(x\right)-{\stackrel{·}{I}}_C\left(x\right).$

第五步：将由向量形式化为时域形式，取时间t为0，将杂散电流变化为 随距离x变化的形式i_S(x)。

第六步：通过检测井下沿线各位置处的杂散电流值并对比理论计算值，可 确定井下电缆绝缘的健康状况，达到电缆绝缘状态的诊断效果。

其中第一步等值电路模型如图1所示，其模型电路包括：电缆单位长度电 阻R₀，电缆单位长度电感L₀，电缆单位长度对地电容C₀，电缆单位长度对地电 导G₀；其模型假设电缆是均匀传输线且由许多无穷小长度微元dx组成，电缆参 数及电缆对地导纳是均匀分布的，每一个长度微元具有电阻R₀dx和电感L₀dx， 对地间拥有电容C₀dx和电导G₀dx。

其中第二步中三相电缆单位长度阻抗相同，为Z₀＝R₀+jωL₀；三相电缆单位 长度对地导纳不相等，分别为Y_0A＝G_0A+jωC_0A，Y_0B＝G_0B+jωC_0B，Y_0C＝G_0C+jωC_0C。

其中第三步中描述电流、电压的微分方程分别为：

$\left(\begin{array}{ccc}\left(\begin{array}{c}\frac{d^2{\stackrel{·}{U}}_A}{{\mathrm{dx}}^2}=Z_0\frac{d{\stackrel{·}{I}}_A}{dx}\\ \frac{d^2{\stackrel{·}{I}}_A}{{\mathrm{dx}}^2}=Y_{0A}\frac{d^2{\stackrel{·}{U}}_A}{dx}\end{array}\right)& \left(\begin{array}{c}\frac{d^2{\stackrel{·}{U}}_B}{{\mathrm{dx}}^2}=Z_0\frac{d{\stackrel{·}{I}}_B}{dx}\\ \frac{d^2{\stackrel{·}{I}}_B}{{\mathrm{dx}}^2}=Y_{0B}\frac{d^2{\stackrel{·}{U}}_B}{dx}\end{array}\right)& \left(\begin{array}{c}\frac{d^2{\stackrel{·}{U}}_C}{{\mathrm{dx}}^2}=Z_0\frac{d{\stackrel{·}{I}}_C}{dx}\\ \frac{d^2{\stackrel{·}{I}}_C}{{\mathrm{dx}}^2}=Y_{0C}\frac{d^2{\stackrel{·}{U}}_C}{dx}\end{array}\right)\end{array}\right)$

如图2所示，所分析的交流杂散电流主要是变压器1140(660)V侧的电缆线 路。

其中第四步中的交流杂散电流是基于对称分量法得到的零序电流，三相对 地电流中正序分量及负序分量大小相等，相位互差120°，从而相互抵消。

设矿井下采区变压器二次侧即1140V侧三相电缆线路结构如图3所示。设 线路都为均匀传输线，三相对地导纳不同。线路参数的设定值为：Z₀＝1.6∠38.3， Y_0A＝23.07×10^-6∠85.6，Y_0B＝25.01×10^-6∠89.69，Y_0C＝18.5×10^-6∠89.4；线路长度取 30km。

在计算交流杂散电流时，基于分布参数等值电路，将各条线路的每一相单 位长度阻抗、对地导纳和来自变压器二次侧的三相电压、电流值带入与即可求的每相电缆的电流分布，用二次侧各相初始电流值减去各 相电流的分布表达式再求和得即为井下交流杂 散电流。图4为计算得到的A相电缆某一时刻沿电缆方向的电流分布图；图5 为计算得到的交流杂散电流沿电缆方向的分布图。

最后应该说明的是：以上所述的仅为本发明的一个实施案例而已，并不限与本 发明，其本领域的技术人员可以对前述各步骤的参数进行修改和替换。凡在本 发明的技术及原则之内，所进行的任何修改、替换及改进都应该视为在本发明 的保护范围之内。