煤矿高压电缆绝缘在线监测研究

兖矿集团设计研究院  李剑峰

煤矿井下环境恶劣，电缆绝缘层极易出现水树枝、电树枝等问题，导致电缆老化加速、绝缘水平降低，从而易发生各种接地故障，甚至出现间歇性电弧。当井下瓦斯浓度达到一定程度时，电弧的出现可能导致瓦斯爆炸，对矿井安全生产运行造成严重威胁。因此，研究煤矿电力电缆的绝缘劣化、对劣化过程进行在线监测具有重大意义。目前，应用前景广阔的电缆绝缘在线监测方法主要包括直流叠加法、直流分量法、介质损耗因数法、低频注入法、谐波分量法等。

中国矿业大学、江苏省电力公司扬州检修分公司和徐州供电公司研究出一种基于接地线电流去噪处理的煤矿高压电缆绝缘在线监测方法，根据煤矿10kV配电网中电缆发生绝缘劣化时不同时期的参数变化特征，采用小波消噪和正交分解技术实现接地线电流噪声处理，从而准确识别电缆劣化情况。

一、电缆绝缘水平与接地线电流的关系

有的文献对绝缘劣化造成的绝缘电阻和分布电容的变化规律进行了实验验证，得到以下结论：电缆绝缘劣化早期，分布电容呈现波动变化且逐渐增加；绝缘等效电阻在绝缘劣化的中后期逐渐减小。分析电缆的结构能够看出，绝缘等效电阻和分布电容的变化会引起电缆线芯与金属屏蔽层之间绝缘物质XLPE的变化，从而使接地线电流发生变化。绝缘物质劣化过程中，不同的参数变化规律引起的接地线电流波形变化不同，据此可以进行劣化类型的识别。根据绝缘参数变化与电缆劣化不同时期对应的变化关系，XLPE电缆导体线芯和金属屏蔽层间的绝缘能够等效成无数个绝缘电阻与分布电容并联组成的参数网络，该参数网络的阻抗大于等于1000MΩ，因此可以把电缆的绝缘状态等效成电阻、电容并联的参数模型。

在煤矿配电网的拓扑结构中，屏蔽层广泛采用一端直接接地方式，因此，他们重点研究这种运行方式下的电力电缆绝缘在线监测技术。从理论分析来看，XLPE电缆金属保护层的接地线电流IJ包含电容电流Ic、磁感应环流Ii及泄漏电流Ir。在电缆绝缘状态正常的时候，泄漏电流Ir非常小，在工程计算过程中常常忽略。针对电缆金属保护层单端接地的情况，磁感应环流Ii约等于零，则接地线电流为：

IJ=Ic=ωlCOU=ωlU×2πe0e/ln（D1/D2）（1）

式中，ω为系统角频率；l为电缆长度；CO为单位长度电缆的电容量；U为电缆线芯的对地电压；e0为真空介电常数；e为电缆主绝缘的相对介电常数；D1、D2分别为电缆绝缘层的外径和线芯直径。

从式（1）能够看到，接地线电流的大小正比于电缆的对地分布电容。若电缆产生局部绝缘缺陷或者整体均匀劣化，会使得绝缘内部的空间电荷量以及极性基团量有所增加，并且加强松弛极化。绝缘介电常数的极化率ε增大，等效为电缆绝缘的对地电容增大，相对应的电缆单端的接地线电流也加大。所以，对于单端接地的电缆而言，可以利用接地线电流变化曲线来判断是否发生绝缘劣化。

在电缆金属保护层两端接地及交叉互联结构中，接地线电流IJ是电容电流Ic和磁感应环流Ii的矢量和，IJ的大小介于Ii、Ic的代数差与和之间。电缆交叉互联结构中的接地线电流计算特别繁琐，而电缆金属保护层采用单端接地方式时一般是Ii远大于Ic，采用近似计算可得：

IJ=Ii=EA/［（R＋R1）2＋X2］1/2≈EA/（R＋R1）  （2）

R=lρ［1＋α（θη－20）］/S               （3）

以上公式中，EA为A相电缆线芯上流过的电流，在A相电缆金属保护层上引起的感应电动势；R1为感应电流回路中除掉电缆金属保护层后的等值电阻，包括接地线电阻、电缆两端接地引下线之间的接触电阻及有关的导通电阻等；X为电缆金属保护层的自感抗；ρ为电缆金属层材料的电阻率；α为材料的温度系数；θ为电缆线芯导体的工作温度；η为电缆金属保护层的温度相对于导体温度的比率，其值与绝缘热阻有关；S为电缆金属层的截面积。

二、典型绝缘劣化类型的电气特征分析

1、水树枝引起的绝缘劣化

自从学者发现电缆绝缘劣化和水树枝增长的正比例关系后，目前已经普遍认为水树枝的出现是电缆绝缘开始劣化的标志。由于水树枝的尖部会有高强度电场产生，导致水树枝在电缆绝缘层中不断扩展，并且渐渐演变为电树枝，出现大面积的贯穿，然后绝缘层的电树枝引发绝缘击穿，即间歇性高阻接地故障。整个劣化至击穿过程呈现随机性变化。在电缆的水树枝发展过程中，绝缘电阻的变化是非线性的，同时水树枝的产生会引起绝缘电阻的下降和等效电容的增加。但是对于接地线电流，在此过程中绝缘电阻降低引起的变化很不明显，接地线电流增加主要是由于分布电容变化引起的，故通过模拟分布电容的非线性变化来等效电缆的水树枝发展趋势。

2、电树枝引起的绝缘劣化

当由水树枝或者局部放电发展成电树枝后，电缆的绝缘参数仍然是非线性变化。电树枝劣化后，电缆绝缘可等效为对地导纳参数网络，数值非线性增加。由于电缆出现电树枝属于绝缘劣化的后期，对于等效参数模型而言，绝缘电阻的非线性下降占主导因素，绝缘电阻对应的导纳增加趋势加快。

3、整体电缆均匀劣化

从电路参数模型的角度分析，电缆绝缘等效为绝缘电阻和分布电容同时线性或者非线性变化，此项研究综合考虑水树枝和电树枝的情况，模拟对地等效参数的线性变化，得到相应的接地线电流变化，通过Matlab/Simulink搭建实际配电网的拓扑结构和负荷分配，依次对各条支路的均匀劣化进行仿真实验，建立关于不同支路编号的接地线电流样本数据库，进行实际电缆绝缘劣化与样本组的相关度分析。