朱宴南，付合英，楊志佳，肖 鋼

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古扎魯特旗 029199）

作為智慧礦山的重要組成部分，露天煤礦智慧消防系統(tǒng)已在扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司輸煤系統(tǒng)投入運(yùn)行1 年。隨著礦區(qū)數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模以及數(shù)據(jù)機(jī)房規(guī)模的擴(kuò)大，通信設(shè)備的用電量在顯著增加[1]，且隨著傳輸距離的延伸，電壓損失越來越嚴(yán)重[2]，以往的48 V 供電電壓已經(jīng)不能滿足通訊系統(tǒng)的要求。因此，高壓直流（HVDC）供電系統(tǒng)理所當(dāng)然地運(yùn)用到礦區(qū)通信基站[3]。

礦區(qū)通信基站對電源安全供電的可靠性要求極高，目前通信基站的高壓直流供電系統(tǒng)已升高至250～280 V。如果直流正極或負(fù)極發(fā)生接地，一旦發(fā)生人身觸及負(fù)極或正極，觸電電流會(huì)高達(dá)200 多mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直流安全電流50 mA，人身安全受到極大威脅[4]。因此，需要甄別出發(fā)生絕緣下降的支路，且能夠準(zhǔn)確測量出HVDC 供電電纜絕緣下降的程度，根據(jù)絕緣下降的程度，制定相應(yīng)的維修措施。為此，提出了一個(gè)既能檢測到每條支路對地絕緣電阻，又能選擇出故障線纜的直流漏電保護(hù)技術(shù)方案。

1 HVDC 供電電纜絕緣在線檢測技術(shù)

目前HVDC 供電系統(tǒng)還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)不停電的在線實(shí)時(shí)檢測絕緣電阻的裝置[5-6]，為此設(shè)計(jì)了1套HVDC 供電電纜在線絕緣檢測及漏電保護(hù)裝置，一旦某條線路直流電纜的正極或負(fù)極對地絕緣電阻下降到危險(xiǎn)數(shù)值，裝置即可在人員觸及負(fù)極或正極發(fā)生觸電危險(xiǎn)以前發(fā)出報(bào)警甚至跳閘指令，防患于未然。迄今為止，國內(nèi)外研究對HVDC 電纜絕緣檢測主要提出的方法有信號注入法、直流分量法和介質(zhì)損耗法等：直流分量是在電纜屏蔽層或芯線之間的絕緣缺陷整流作用而產(chǎn)生的，該分量通過屏蔽層的接地線流入大地，但是采集到的直流分量信號很小，通常為納安級；而屏蔽層接地線中的本身雜散電流，其大小與直流分量信號大小相當(dāng)，因此很難剔除直流分量中的雜散噪聲電流；介質(zhì)損耗檢測法是用測量和計(jì)算出的介質(zhì)損耗角正切值tanδ 對電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷，但該方法只能反映電纜絕緣的整體缺陷，當(dāng)電纜中某部位發(fā)生較小的絕緣下降時(shí)，其介質(zhì)損耗角正切值基本不變文獻(xiàn)［7－10］。

為此，采用信號注入法[11]，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 分析，提高精度，并計(jì)算出絕緣電阻阻值。信號注入法系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 HVDC 供電電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of insulation online monitoring for HVDC power supply cable system

圖1 中：RRU 為末端設(shè)備負(fù)載；Rn+、Rn－分別為每條支路正極與負(fù)極的對地絕緣電阻；互感器1、互感器2、…、互感器n 為信號采集單元；Cn+、Cn－為每條支路的對地分布電容；配電端母線已采用高阻中性點(diǎn)接地方式接地。所有電流互感器皆分布在各支路互感器采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)全部匯集到信號處理單元，由信號處理單元集中處理信號。

該檢測方法基于信號注入法，實(shí)時(shí)地注入交流信號，由于HVDC 供電系統(tǒng)母線上的信號是直流信號，需要進(jìn)行隔直通交處理。信號源引出2 條引線分別串聯(lián)1 個(gè)合適的電感和電容并接在HVDC 供電系統(tǒng)的正負(fù)極母線上，這樣就不會(huì)造成因直流母線引起的信號源故障。

交流信號注入法的信號源經(jīng)直流母線注入到8條支路，采用正負(fù)極同時(shí)注入的方法，經(jīng)屏蔽線流回。在直流母線的正負(fù)極分別并聯(lián)1 個(gè)高耐壓值的電容并直接中性點(diǎn)接地，并在其中性點(diǎn)上安裝1 個(gè)與8 條支路相同的電流互感器。該互感器的主要作用是用來測量電容電流的相位，達(dá)到電壓相位采集的目的。那么各支路的電流互感器測出的電容電流相位和實(shí)際的母線電壓相位一致。HVDC 供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，注入的信號電流通過HVDC 供電電纜經(jīng)電纜的分布電容流回，這樣可以認(rèn)定電流互感器采集到的每條支路的電流只包含容性電流。當(dāng)HVDC 供電系統(tǒng)存在某一支路正極或負(fù)極存在絕緣下降（考慮到2 條線路同時(shí)發(fā)生絕緣下降的概率極低，默認(rèn)只有1 條線路發(fā)生絕緣下降其他支路正常時(shí)完成選線），信號源發(fā)出的低頻交流信號，通過耦合電容C0，同時(shí)向HVDC 供電系統(tǒng)的正、負(fù)極母線與地之間注入。絕緣下降的電阻和電纜的電容相當(dāng)于并聯(lián)在HVDC 供電電纜與地之間，這樣就會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)阻性電流。需要同步采集正、負(fù)極母線對地電壓和各支路上安裝的交流互感器采集到該支路的交流信號電流，測得絕緣下降支路的電流互感器的電流大小與相位，再通過母線并聯(lián)電容上的電流互感器采集到的電流相位，經(jīng)FFT（Fast Fourier Transformation 即快速傅氏變換）計(jì)算出基波分量，得出阻性電流大小。因?yàn)榻^緣下降的電阻相當(dāng)于并聯(lián)在HVDC供電電纜和地之間，兩端電壓相當(dāng)于注入的信號源電壓，這樣可以反推出電纜絕緣下降的阻值大小，這樣更有助于設(shè)定相應(yīng)的整定值。從而，計(jì)算得出該支路的對地絕緣電阻值。以此方式對線路進(jìn)行絕緣監(jiān)測選線。

設(shè)交流信號源電壓u 的表達(dá)式為：

從交流電流傳感器中測得支路電流i 為：

則可得：

式中：U、I 為交流信號源電壓、電流的最大幅值；f 為電流頻率；t 為時(shí)間；φ 為相位角，其大小是由系統(tǒng)中對地絕緣電阻阻值與分布電容所決定；Rd為電纜對地絕緣電阻；C 為電纜分布電容。

根據(jù)以上公式可計(jì)算發(fā)生絕緣下降故障的電纜所產(chǎn)生的絕緣阻值，通過HVDC 供電系統(tǒng)各支路電纜上的電流互感器，可以在線實(shí)時(shí)地對電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測。

注入的信號為交流正弦信號，將注入的信號電壓大小規(guī)定為48 V，信號的頻率規(guī)定為160 Hz。選擇48 V 的信號電壓和160 Hz 的信號頻率的原因主要有以下2 點(diǎn)：

1）在HVDC 供電電纜發(fā)生絕緣下降時(shí)，通過套在正負(fù)兩極的電流互感器感應(yīng)到的電流很小。因此，需要較大的注入信號的電壓，以此來增大一次側(cè)的電流。

2）在HVDC 供電電纜發(fā)生絕緣下降時(shí)，一次電流通過電纜的分布電容以及對地絕緣下降，電阻流回信號源頻率越大，容抗越小，所以由注入信號產(chǎn)生的一次側(cè)電流也越大，同時(shí)一次電流的頻率越高，電流互感器的激磁效果也就越好，電流互感器二次側(cè)的電流也就越大，這樣有助于數(shù)據(jù)的采集[12]。

式中：Xc為容抗。

因此，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案，如果HVDC 供電系統(tǒng)的某條電纜發(fā)生了絕緣下降故障，注入的交流信號流經(jīng)該故障支路時(shí)，經(jīng)過FFT 分析，提取基波頻率與相位，再將采集到的電流分解成了容性電流與阻性電流，即可判斷哪條支路發(fā)生了漏電故障并計(jì)算出絕緣下降程度[13-14]。

2 HVDC 絕緣檢測系統(tǒng)及電纜絕緣下降模擬實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)的HVDC 絕緣在線檢測系統(tǒng)中央處理芯片選用的是型號為STM32F103RBT6 的ARM 處理器。首先通過每支路的電流互感器將采集的電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化成電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為能夠被系統(tǒng)識別的數(shù)字信號，最后通過ARM 處理器進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理與分析。HVDC 供電電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)圖如圖2。

圖2 HVDC 供電電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of insulation online monitoring for HVDC power supply cable system

8 條支路線路長度分別為10、75、150、200、500、800、1 000、1 500 m。前5 條支路均采用實(shí)際電纜進(jìn)行測試，后3 條電纜由于線路較長，采用外接電容模擬線纜對地電容的方式進(jìn)行測試[15]。

8 條線路依次接入接地電阻，來模擬絕緣下降，絕緣下降的電阻依次從1～50 kΩ，每隔1 kΩ 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，只記錄HVDC 供電電纜下降到1、5、10、15、20、25、28、50 kΩ 的絕緣電阻數(shù)據(jù)。每次絕緣下降的數(shù)據(jù)采集5 次，取5 次的平均值進(jìn)行記錄；8條供電電纜線路（10、75、150、200、500、800、1 000、1 500 m）不同絕緣下降阻值通過串口在上位機(jī)上測得的數(shù)據(jù)精度見表1。

表1 HVDC 供電電纜絕緣監(jiān)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Insulation monitoring experimental data of HVDC power supply cable

由表1 可知：在HVDC 供電電纜絕緣下降的情況下，采用信號電壓48 V、頻率160 Hz 的交流信號注入法的HVDC 供電電纜在線絕緣檢測系統(tǒng)，可以較為精準(zhǔn)地測量出HVDC 供電電纜絕緣下降的程度，其誤差范圍不超過±5%。

3 結(jié) 語

HVDC 供電電纜選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在線地檢測整個(gè)HVDC 每條支路的絕緣下降的狀態(tài)；當(dāng)HVDC 供電系統(tǒng)發(fā)生電纜絕緣下降到危及人身觸電安全限值時(shí)，HVDC 漏電保護(hù)裝置供電能夠?qū)收暇€路發(fā)出報(bào)警。驗(yàn)證了當(dāng)8 條HVDC 電纜發(fā)生不同程度的絕緣下降時(shí)，絕緣檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確選出絕緣下降的線路，并能在±5%的范圍內(nèi)，測量出絕緣下降的程度。HVDC 供電電纜漏電保護(hù)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及快速性，并且通過在直流母線的正負(fù)極分別并聯(lián)1 個(gè)高耐壓值的電容并直接接地，并在電容上套上接1 個(gè)與8 條支路相同的電流互感器，代替電壓互感器，結(jié)果簡單，成本低。