在線式礦井高壓電纜接地故障定位裝置的研制應(yīng)用

孫曉通 黃衍法

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

1 引言

煤礦井下配電系統(tǒng)通常采用小電流接地系統(tǒng)，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后允許帶電運行兩小時。電力電纜故障主要有開路、低阻接地、高阻接地、短路、三相短路或兩相短路故障，其中70%是單相接地故障，如不能及時消除，故障點的電弧可能燒毀設(shè)備，并引發(fā)相間故障，擴大事故，這意味著必須在盡可能短的時間內(nèi)確定故障位置。

東灘煤礦井下中央變電所至各采區(qū)變電所6kV系統(tǒng)電力電纜采用礦用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯三芯電力電纜，共14路，單路供電線路長度自1800m至3500m不等,中間接頭3～7個，一旦出現(xiàn)接地故障很難確定故障點。因此，在現(xiàn)場研究應(yīng)用在線式電力電纜故障精測定位裝置，特別是具備故障測距功能的裝置具有重要意義。

2 定位裝置研制

2.1 裝置工作原理

通過研究、試驗，東灘煤礦與科研院校合作研制了基于零模和相模電流的在線礦井電纜故障定位裝置。

該裝置實時捕捉電纜工作中漏電信息，分析初始行波、初始行波之后的電流波形，若零模電流量和相模電流量波形圍繞參考基準(zhǔn)零軸均出現(xiàn)正向突變，電流波峰緊接出現(xiàn)負(fù)向突變電流波谷，即完整的先正后負(fù)電流波形時，認(rèn)定為電流反射行波；若所得到的零模電流量和相模電流量波形圍繞參考基準(zhǔn)零軸均出現(xiàn)完整的先負(fù)后正電流波形時，認(rèn)定為電流透射行波。從而計算出初始行波、反射波、投射波的時刻，計算出接地故障在電纜中的位置。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)

電纜單相接地故障在線測距裝置，在母線測試點處設(shè)有電流采集裝置，與電流電壓轉(zhuǎn)換裝置、濾波裝置，數(shù)據(jù)采集裝置、工控機依次連接。經(jīng)工控機對所采集數(shù)據(jù)進行運算得到故障距離。

電流采集裝置包括在每相線路的首端分別安裝的相模電流傳感器14、15、16，以及在三相電纜外部套裝的零模電流傳感器17。相模電流傳感器和零模電流傳感器分別與各自轉(zhuǎn)換裝置連接。電流電壓轉(zhuǎn)換裝置為彼此獨立的4組電流電壓轉(zhuǎn)化器，電流電壓轉(zhuǎn)化器為電流串聯(lián)負(fù)反饋型。濾波裝置為4組電壓濾波器，數(shù)據(jù)采集裝置為4組數(shù)據(jù)采集板。數(shù)據(jù)采集板為40M高速數(shù)據(jù)采集板。采樣速率設(shè)定為10MHz。電壓濾波器濾波后的電流信號在10kHz～100kHz頻率段內(nèi)。

圖1 電纜單相接地故障在線測距裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

本裝置對零模和相模電流值設(shè)定采樣速率進行同步采樣。

2.3 裝置現(xiàn)場實施方案

電纜接地故障定位裝置主要由工業(yè)控制計算機、信號濾波調(diào)理板、高頻電流信號傳感器組成，裝置以10M的采樣速率實時采集電流信息，當(dāng)監(jiān)測到零模有突變信號時，系統(tǒng)自動記錄突變前1秒和突變后2秒30M字節(jié)的數(shù)據(jù)并保存。然后準(zhǔn)備下一次的接地故障捕捉。經(jīng)工控機對所采集數(shù)據(jù)進行運算。

圖2 故障定位裝置現(xiàn)場安裝示意圖

3 應(yīng)用情況

監(jiān)控系統(tǒng)報警顯示井下中央變電所至十四采三變電所供電線路發(fā)生漏電接地故障，通過網(wǎng)絡(luò)從故障定位裝置中讀取在線測試的數(shù)據(jù)文件，發(fā)現(xiàn)該線路有4次接地記錄文件，波形相似，其中故障發(fā)生時接地行波最明顯，說明在接地故障發(fā)生前，該線路發(fā)生多次高阻接地現(xiàn)象。

通過對測試系統(tǒng)記錄的原始數(shù)據(jù)分析尋找零模電流、相模電流的初始行波、透射行波、反射行波。采用波形平移比較，尋找三個波形的突變時刻t1、t2、t3。

根據(jù)波形形狀可以判定行波波形依次為初始行波、透射行波、反射行波，接地故障發(fā)生在后半程，運用公式：

計算故障點到測試點的距離。

圖形分析可以看出電纜距離較近，初始行波波形明顯，發(fā)生時刻t1、緊隨之后是透射波，透射波發(fā)生時刻t2，透射波延續(xù)時間長，透射波的后半部與反射波的頭部產(chǎn)生折疊，造成透射波后一個明顯的峰值，反射波的發(fā)生時刻不明顯。采用初始波形、透射波形在第三個時刻附近移動比較，判斷出反射波的發(fā)生時刻t3，實際測出：t2-t1=6250ns，t3-t2=8000ns，將測量值代入公式：

圖3 根據(jù)行波信號提取行波時間

經(jīng)過技術(shù)員排查，實際接地是電纜后半部分的分線盒內(nèi)經(jīng)金屬線接地，按電纜安裝距離為分線盒距離電纜初始端是1570m，距離電纜末端680m，中間如果考慮彎曲誤差時，測量誤差小于10m。

4 結(jié)語

線路故障定位裝置的現(xiàn)場應(yīng)用有助于及時發(fā)現(xiàn)電纜接地故障點，縮短了故障排查時間，避免了以往排除電纜故障采取分段截割、更換電纜的問題，節(jié)約了電纜損耗、修復(fù)、更換費用和人員勞動強度，具有較好的推廣價值。