礦區通信基站直流漏電保護的研究

朱宴南，付合英，楊志佳，肖 鋼

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業有限公司，內蒙古扎魯特旗 029199）

作為智慧礦山的重要組成部分，露天煤礦智慧消防系統已在扎魯特旗扎哈淖爾煤業有限公司輸煤系統投入運行1 年。隨著礦區數據通信和互聯網規模以及數據機房規模的擴大，通信設備的用電量在顯著增加[1]，且隨著傳輸距離的延伸，電壓損失越來越嚴重[2]，以往的48 V 供電電壓已經不能滿足通訊系統的要求。因此，高壓直流（HVDC）供電系統理所當然地運用到礦區通信基站[3]。

礦區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已升高至250～280 V。如果直流正極或負極發生接地，一旦發生人身觸及負極或正極，觸電電流會高達200 多mA，遠遠大于直流安全電流50 mA，人身安全受到極大威脅[4]。因此，需要甄別出發生絕緣下降的支路，且能夠準確測量出HVDC 供電電纜絕緣下降的程度，根據絕緣下降的程度，制定相應的維修措施。為此，提出了一個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技術方案。

1 HVDC 供電電纜絕緣在線檢測技術

目前HVDC 供電系統還沒有能夠實現不停電的在線實時檢測絕緣電阻的裝置[5-6]，為此設計了1套HVDC 供電電纜在線絕緣檢測及漏電保護裝置，一旦某條線路直流電纜的正極或負極對地絕緣電阻下降到危險數值，裝置即可在人員觸及負極或正極發生觸電危險以前發出報警甚至跳閘指令，防患于未然。迄今為止，國內外研究對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，因此很難剔除直流分量中的雜散噪聲電流；介質損耗檢測法是用測量和計算出的介質損耗角正切值tanδ 對電纜絕緣狀態進行診斷，但該方法只能反映電纜絕緣的整體缺陷，當電纜中某部位發生較小的絕緣下降時，其介質損耗角正切值基本不變文獻［7－10］。

為此，采用信號注入法[11]，并將采集到的數據進行FFT 分析，提高精度，并計算出絕緣電阻阻值。信號注入法系統原理如圖1。

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

圖1 中：RRU 為末端設備負載；Rn+、Rn－分別為每條支路正極與負極的對地絕緣電阻；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據，采集到的數據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，實時地注入交流信號，由于HVDC 供電系統母線上的信號是直流信號，需要進行隔直通交處理。信號源引出2 條引線分別串聯1 個合適的電感和電容并接在HVDC 供電系統的正負極母線上，這樣就不會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直流母線注入到8條支路，采用正負極同時注入的方法，經屏蔽線流回。在直流母線的正負極分別并聯1 個高耐壓值的電容并直接中性點接地，并在其中性點上安裝1 個與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際的母線電壓相位一致。HVDC 供電系統正常運行時，注入的信號電流通過HVDC 供電電纜經電纜的分布電容流回，這樣可以認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HVDC 供電系統存在某一支路正極或負極存在絕緣下降（考慮到2 條線路同時發生絕緣下降的概率極低，默認只有1 條線路發生絕緣下降其他支路正常時完成選線），信號源發出的低頻交流信號，通過耦合電容C0，同時向HVDC 供電系統的正、負極母線與地之間注入。絕緣下降的電阻和電纜的電容相當于并聯在HVDC 供電電纜與地之間，這樣就會產生1 個阻性電流。需要同步采集正、負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，再通過母線并聯電容上的電流互感器采集到的電流相位，經FFT（Fast Fourier Transformation 即快速傅氏變換）計算出基波分量，得出阻性電流大小。因為絕緣下降的電阻相當于并聯在HVDC供電電纜和地之間，兩端電壓相當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，這樣更有助于設定相應的整定值。從而，計算得出該支路的對地絕緣電阻值。以此方式對線路進行絕緣監測選線。

設交流信號源電壓u 的表達式為：

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 為時間；φ 為相位角，其大小是由系統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。

根據以上公式可計算發生絕緣下降故障的電纜所產生的絕緣阻值，通過HVDC 供電系統各支路電纜上的電流互感器，可以在線實時地對電纜的絕緣狀態進行檢測。

注入的信號為交流正弦信號，將注入的信號電壓大小規定為48 V，信號的頻率規定為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：

1）在HVDC 供電電纜發生絕緣下降時，通過套在正負兩極的電流互感器感應到的電流很小。因此，需要較大的注入信號的電壓，以此來增大一次側的電流。

2）在HVDC 供電電纜發生絕緣下降時，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，所以由注入信號產生的一次側電流也越大，同時一次電流的頻率越高，電流互感器的激磁效果也就越好，電流互感器二次側的電流也就越大，這樣有助于數據的采集[12]。

式中：Xc為容抗。

因此，根據以上的設計方案，如果HVDC 供電系統的某條電纜發生了絕緣下降故障，注入的交流信號流經該故障支路時，經過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生了漏電故障并計算出絕緣下降程度[13-14]。

2 HVDC 絕緣檢測系統及電纜絕緣下降模擬實驗

設計的HVDC 絕緣在線檢測系統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過信號調理電路轉化成電壓信號，再通過A/D轉換器將采集到的模擬信號轉換為能夠被系統識別的數字信號，最后通過ARM 處理器進行相關的數據處理與分析。HVDC 供電電纜在線絕緣監測系統圖如圖2。

圖2 HVDC 供電電纜在線絕緣監測系統圖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 條支路均采用實際電纜進行測試，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 進行數據的采集，只記錄HVDC 供電電纜下降到1、5、10、15、20、25、28、50 kΩ 的絕緣電阻數據。每次絕緣下降的數據采集5 次，取5 次的平均值進行記錄；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上測得的數據精度見表1。

表1 HVDC 供電電纜絕緣監測實驗數據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，可以較為精準地測量出HVDC 供電電纜絕緣下降的程度，其誤差范圍不超過±5%。

3 結 語

HVDC 供電電纜選擇性漏電保護系統能夠實時在線地檢測整個HVDC 每條支路的絕緣下降的狀態；當HVDC 供電系統發生電纜絕緣下降到危及人身觸電安全限值時，HVDC 漏電保護裝置供電能夠對故障線路發出報警。驗證了當8 條HVDC 電纜發生不同程度的絕緣下降時，絕緣檢測系統能夠準確選出絕緣下降的線路，并能在±5%的范圍內，測量出絕緣下降的程度。HVDC 供電電纜漏電保護系統具有穩定性、準確性以及快速性，并且通過在直流母線的正負極分別并聯1 個高耐壓值的電容并直接接地，并在電容上套上接1 個與8 條支路相同的電流互感器，代替電壓互感器，結果簡單，成本低。