矿井高压电缆绝缘劣化在线诊断的研究

发布时间：2020-05-01 14:30

【摘要】：电力电缆作为煤矿供电系统的重要能量传输元件,如果不能实时地监测其绝缘状态,很容易导致系统不平衡运行,影响煤矿供电的可靠性和安全生产水平。在瓦斯、煤尘聚集的井下,电缆绝缘被击穿的瞬间产生的电火花极易引发爆炸事故,造成矿井人员伤亡。因此,从煤矿供电可靠性和安全生产出发,要求应实时地监测煤矿供电系统中电力电缆的绝缘状态。但对于6/10kV电压等级的三芯矿用电缆,绝缘劣化时泄露电流微小,信号特征不明显,导致绝缘状态难以准确诊断。虽然现有电缆绝缘状态诊断方法较多,但是实际运用的效果并不理想,尤其缺乏在矿用电缆方面的应用经验。本文在深入分析电缆绝缘劣化机理和气隙局部放电过程的基础上,建立了改进型局部放电模型,给出了局放脉冲信号去噪的方法,研究了利用线路模型及线路电压电流信号的综合特征的诊断方法。为了更忠实地模拟电缆绝缘发生局部放电的过程,本文以绝缘介质中气隙的局部放电为研究对象,建立了气隙的改进型局部放电模型。局部放电使得气隙周围的介质发生电离反应,局部放电的累积导致气隙和气隙周围介质的炭化通道增长。根据气隙局部放电的原理,重点研究了决定局部放电的几个主要参数,指出气隙和炭化通道的增长会导致气隙及其周围的绝缘介质的绝缘性能发生变化,并确定用可变的等效电阻和等效电容模拟气隙及其周围介质的绝缘性能的变化。利用气隙中的流注放电的起始条件和熄灭条件确定了局部放电的起始电压和熄灭电压。在改进型局放模型中通过局部放电的次数控制各可变等效电阻和等效电容,给出了仿真模型运行的流程。仿真结果表明,由改进型局放模型获得的局放信号的幅值趋势更接近实测的局放信号,暂态波形更加丰富。有效地消除局放信号中的噪声干扰有助于提高局放监测的精度,是局放脉冲监测方法应用于实际中需要解决的关键问题。本文首先分析了局放信号的测量方法,研究了染噪前后局放信号的幅频特性;其次研究了变分模态分解和小波阈值法的基本原理。根据局放信号的非线性、非平稳特征,提出了基于变分模态分解和小波阈值重构的去噪方法,给出了该方法的实现流程。确定了变分模态分解过程中两个重要参数(本征模态个数和惩罚因子)的取值,以及小波阈值中的小波基、分解尺度和阈值估计函数的选取。与目前已有的几种去噪方法,如变分模态分解法、经验模态分解法、经验模态分解自相关法以及小波阈值法,进行了对比分析,通过信噪比、相关系数和均方根误差进行了定量比较,验证了对于信噪比较低的局放信号,基于变分模态分解和小波阈值重构法的去噪效果。并将实验获得的局放信号进行去噪,进一步验证了本文提出的方法的去噪能力。合理的线路模型可提高电缆绝缘诊断技术的精度和效率,是理论确定和仿真验证绝缘状态诊断方法的基础和关键。论文分析了电缆的原参数以及线路的三种参数模型,即分布参数模型、π型参数模型和T型参数模型。根据二端口网络方程推导出三种参数模型的原参数与电缆两端电压、电流的关系,并对比了由三种计算关系式得到的绝缘参数与真实绝缘参数值之间的误差。结合矿用电力电缆的实际情况,从矿用电缆的长度、计算公式复杂度和计算的精度等方面综合考虑,分析了三种关系式的优缺点,最终确定了把由π模型得到的关系式作为电缆绝缘参数计算公式。利用电缆首末两端电压电流的矢量值进行复数运算,求出了电缆的绝缘电导值和介质损耗角正切值,提出了基于同步相量测量的电缆绝缘状态诊断方法。基于同步相量测量的绝缘状态诊断方法要求高精度同步采集电缆两端的电压电流信号,为了保证算法的精度,利用广域同步测量技术以实现电缆首末两端的信号的同步测量。分析了广域同步测量技术的结构体系,以及同步相量测量技术的特点和关键技术。通过GPS实现全网同步授时,利用PMU中的相量计算微处理器计算电压、电流的相量,计算方法采用递归相量计算法。考虑了电流互感器精度对同步相量测量法准确性的影响,提出了长距离电缆的绝缘实时在线诊断和短距离矿用电缆的绝缘“准实时”诊断。分析了互感器精度造成的算法的最大误差,给出了同步相量测量法用于电缆绝缘实时在线诊断时的条件。分析了当短距离矿用电缆处于空载检修期时微小量程互感器的精度对算法的影响,验证了该方法用于短距离矿用电缆空载检修时期的“准实时”监测的可行性。分析了系统中的2~7次谐波、GPS同步授时误差以及系统频率偏移对同步相量测量法的影响,分析结果指出:谐波的存在对算法没有影响;目前GPS授时技术的同步误差均较小,对算法精度的影响也很小;系统频率偏移造成电压电流相量计算误差,致使绝缘参数的计算结果产生一定的误差。电缆绝缘不对称时,系统三相不平衡运行产生了零序电压,各电缆线路中出现了零序电流。根据电缆的绝缘劣化时零序分量与电缆绝缘参数的关系,提出了基于决策树法的电缆绝缘状态在线诊断方法。首先分别分析了单相绝缘劣化以及两相绝缘劣化时线路的等效运算电路,形成了不同绝缘劣化类型线路的零序电压内部等效电路。将绝缘劣化线路的零序电压内部等效电路与系统零序网络组合成了新的零序等效电路,给出了零序电压和零序电流随电缆绝缘参数的变化规律。分析了电缆发生单相绝缘劣化和两相绝缘劣化前后零序电流的变化量△I _j与系统相对地电压之间的相位关系,指出对于单相绝缘劣化的电缆,△I _j与绝缘劣化相的相对地电压同相位,对于两相绝缘劣化的电缆,△I _j的相位在两相绝缘劣化相相对地电压之间,并给出了△I _j的计算流程。由于绝缘不对称劣化线路的绝缘参数的计算表达式不同于绝缘对称线路的计算表达式,同时结合△I _j与相对地电压的相位关系建立了电缆绝缘状态的诊断决策树,并给出了绝缘状态的详细判定流程,克服了同步相量测量法无法对矿用电缆进行实时在线诊断,以及其他方法无法判断矿用电缆劣化相的弊端。分析了中性点不接地和经消弧线圈接地系统中零序电压的表达式,指出系统中性点的接地方式影响零序电压的变化,但不影响各线路零序分量与其绝缘参数之间的关系。拓展研究了当决策树应用于时地面电网等负载中性点接地系统时,负载的三相不平衡对决策方法的影响,给出了决策算法的相应修改方案。针对6kV中性点不接地煤矿供电系统进行了仿真分析,仿真结果表明了该决策树法的优越性和可行性。最后,在本文结尾总结了所做工作,并展望了下一步的研究方向。
【图文】：

等效电阻,气隙,仿真模型,可变电阻

本文认为感应电荷为定值。图 2.3 的模型中，n 次局部放电后，各等结果为，10 05.56 / {(10 )ln[(5 ) / 5]} 10 airC l n l l n l 12.21 10 F ，122 0C 0.128 / ln[9 / (5 l n l)] 10 F ，1R =2.63 10140.5ln[9 / (5 l n l )] 10 ，，0 03.81(10 )ln[(5 ) / 5] 1iR l n l l n l 100 03.18(10 )ln[(5 ) / 5] 10 l n l l n l ，154.1 10 FqC 。仿真模型上述公式可知，气隙及其串联部分介质的等效电阻和电容是随局部变化的。因此，本文利用 Matlab 中的 s-function 函数自建与放电次数阻和可变电容模块。因为开关 K 的闭合和断开代表局部放电的开始和部放电次数等于开关断开次数。通过对开关的断开次数进行计数来的次数，并实时反馈给可变电阻和可变电阻进行刷新计算。图 2.5 所效电阻的仿真模型，其中 S-Function1 模块为用 M 语言编写的自建模 R2和 Ri也是随局部放电次数变化的可变电阻，其模型框图与图 2.5 是 S-Function 模块中的程序语言。

等效电容,气隙,仿真模型,受控电压源

中国矿业大学（北京）博士学位论文放电时电离通道等的效电阻 Ri均存在不同程度的增长，而与气隙串联部分介质的等效电阻值 R2减小。图 2.7 所示为改进型局放模型中气隙的等效电容 Cair的仿真图。由于仿真中不允许两个受控电流源串联，也不允许两个受控电压源并联，所以，在等效电阻和等效电容的模型中分别采用受控电流源和受控电压源。与气隙串联部分介质的等效电容 C2的仿真模型框架与图 2.7 相同，但 s-函数不同，此处不赘述。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD611;TM247

【参考文献】