矿井低压电缆绝缘参数在线检测的研究.docx

论文题目：矿井低压电缆绝缘参数在线检测的研究专业：电力系统及其自动化姓名：陆电（签名）导师：傅周兴（签名）摘要煤矿电网普遍采用的是中性点不接地工作方式，对电网的绝缘状态进行在线监测，有利于及时发现故障隐患，快速准确地判断故障线路，对提高电网的运行安全和供电可靠性具有重大意义。本文针对煤矿电网的运行特点，提出了基于附加低频电源的电缆绝缘参数监测方法，即向电网叠加低频信号，通过测量低频电压、低频电流，实现电缆对地绝缘电阻和对地电容的测量。理论分析表明，该方法不仅能检测电缆绝缘参数，而且还可实现绝缘支路故障定位。采用MATLAB/SIMULINK仿真技术，对分析结果和测量绝缘参数的方法进行了仿真。仿真实验表明，建模及理论分析结果正确；附加低频电源测量绝缘参数的方法可准确的测量对地绝缘电阻和对地电容，测量精度高；不仅能实现分支电缆出线对地绝缘参数的在线监测，还可实现井下电网的选择性漏电保护；导线分布电容大小对测量精度有影响；信号频率的选择直接影响到测量精度。最后采用附加低频电源法设计以C8051F020单片机为控制核心的检测单元,包括设计系统硬件和软件。给出各个模块的硬件电路和该电路的原理分析，并给出系统软件流程图；设计并实现了低频信号源。理论分析和仿真实验表明，该测量方法具有测量准确、通用性广的特点，具有良好的工程应用前景。关键词：绝缘参数；附加低频电源；在线检测；仿真；电路设计论文类型：应用研究Subject:ResearchontheOn-lineMonitoringofInsulationParameterofMineLowVoltageCablesSpecialty：PowerSystem&AutomationName:LuDian(Signature)Instructor:FuZhouXing(Signature)ABSTRACTAmethodofnon-groundedneutralpointiswidelyusedinthepowersystemofmine.Wecanquicklyfindoutthefaultylineviatheonlineinsulationmonitoringsystem,andit,simportanttoimprovethesecurityofperformanceandreliabilityofpowersystem,ssupply.Byanalyzingthebehaviorofmine'spowersystem,anewmethodbasedonadditionallowfrequencysignalispresented.Alowfrequencysignalisinjectedintolowvoltageundergroundpowersystem.Bymeasuringlow-frequencyvoltageandlow-frequencycurrent,insulationparameterscanbecalculated.Andtheoreticalanalysisshowsthat,thismethodcannotonlymeasurecable,sinsulationparameters,butalsocarryoutfaultylocationoftheinsulationbranch.ByMATLABS1MULINKsimulationtechnology,analysisresultandthemethodofmeasuringinsulationparametersaresimulated.Simulationexperimentshowsthat,modelingandtheoreticalanalysisresultsarecorrect,themethodofadditionallowfrequencypowermeasuringinsulationparameterscanexactlymeasureinsulationresistanceandcapacitancetoground,themeasuringaccuracyisgood,itcancarryoutnotonlyon-linemonitoring,butalsoselectiveleakageprotectionofundergroundelectricnetwork,thevalueofdistributedcapacitorhaseffectonmeasuringprecision,theselectionofsignalfrequencyhasdirecteffectonmeasuringprecision.Intheend,thedetectionunitwithC8051F020asitscoreandadoptingmeasuringmethodbasingonadditionallowfrequencysignal,includinghardwareandsoftwaredesigns.Eachmodel,shardwarecircuitandprincipleanalysisofthesecircuitisgiven,andsystemsoftwareflowsheetisalsogiven.Lowfrequencysignalsourceisdesignedandrealized.Theoreticalanalysisandsimulationresultsshowthatthemethodisaccurate,anditcanapplytomanyareas.Ithasgoodprospectsforengineeringapplications.On-linemonitoringSimulationCircuitdesignThesis：ApplicationResearch目录1绪论11.1 课题的背景及研究意义11.1.1 课题的背景11.1.2 研究意义11.2 本课题在国内外的发展及研究现状11.2.1 附加直流电源法21.2.2 工频法21.2.3 附加低频电源法31.3 本论文的主要工作42附加低频电源法原理分析52.1 概述52.2 矿井低压电缆绝缘参数在线监测原理52.2.1 单回路绝缘监测原理分析52.2.2 多回路绝缘检测原理分析72.2.3 分布电容及低频信号频率对检测精度的影响92.3 信号的加入方式102.4 低频信号的算法102.5 低频信号源102.5.1 信号源功率102.5.2 低频信号的频率112.5.3 低频幅值的确定122.6 检测装置和设备的相互影响122.7 本章小结133附加低频电源测量绝缘参数方法的仿真143.1 系统模型的建立和实现143.1.1 仿真软件的选取143.1.2 仿真参数的确定143.1.3 仿真模型的建立153.2 单回路仿真163.2.1 各种绝缘下降的仿真163.2.2 单相接地故障173.2.3 低频信号的频率对绝缘参数检测精度的影响173.2.4 检测绝缘电阻的精度随电容变化的情况173.2.5 绝缘电阻的精度随低频电压、频率变化的情况183.2.6 叠加信号对电网的影响193.2.7 电网对低频信号的影响193.3 故障选线203.4 本章小结214绝缘检测系统硬件设计224.1 检测系统硬件的总体设计224.2 中央处理单元的选择234.3 信号采集单元244.3.1 电压形成回路244.3.2 滤波器设计254.3.3 前置放大电路274.3.4 电平提升电路284.3.5 采样保持电路294.4 A/D转换304.5 LCD1602显示电路304.6 报警电路314.7 电源单元324.8 低频信号源设计334.8.1 产生正弦波的常用硬件方法344.8.2 产生正弦波的常用软件方法344.8.3 D/A转换产生正弦波344.8.4 功率放大电路的设计354.8.5 工频陷波器364.9 抗干扰措施374.10 本章小结375软件设计及算法385.1 系统软件开发环境385.2 系统软件设计原则385.3 系统软件结构385.4 监控主程序设计395.5 功能模块子程序设计415.5.1 初始化模块415.5.2 正弦波产生模块425.5.3 数据采集模块425.5.4 数据处理程序模块445.5.5 LCD显示模块455.6 软件算法455.6.1 常用算法概述455.6.2 傅氏算法的基本原理455.6.3 绝缘参数的求解475.7 本章小结486结论496.1 论文工作总结496.2 后续工作49致谢50参考文献51附录541绪论1.1 课题的背景及研究意义1.1.1 课题的背景在煤矿系统中，大部分供电线路为电缆供电。井下空间狭小、环境恶劣、阴暗潮湿，电缆在运行过程中，因机械损伤、操作过电压和水分的逐渐渗入，在电场长期作用下内部会出现局部放电的现象，引起老化和绝缘电阻下降。电缆绝缘电阻的下降会导致漏电流，不但可能导致人身触电，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路。对于绝缘水平比较薄弱的煤矿井下电网，如不及时断开故障馈线，会引起系统的连锁反应，严重时会引发电弧造成瓦斯和煤尘爆炸。据统计，在供电事故中，电缆事故占70%左右，故预防及减少电缆事故至关重要uz。为确保矿井安全，减少因单相接地引起的瓦斯、煤尘爆炸的危险性。煤矿安全规程规定：“井下低压馈电线上，应装设带有漏电闭锁的检漏保护装置或有选择性的检漏保护装置。发现检漏装置有故障或网路绝缘降低时，应立即停电处理，修复后方可送电”。1.1.2 研究意义自从在井下引用漏电保护装置以来，漏电保护技术发展迅速，设备不断更新。无论采用何种原理，井下的绝缘参数检测是漏电保护装置的薄弱环节之一，它关系到漏电保护装置的可靠性及相关功能的强弱。而且绝缘参数也是影响电网人身触电电流、单相接地电流大小的主要因素，是接地保护、消弧系统调节等设备研究设计的依据，更是涉及电网安全运行的主要参数，因此必须经常进行测量或监视。1.2 本课题在国内外的发展及研究现状随着生产发展和自动化技术的提高，很多场合需要对电缆绝缘参数进行测量与监控。但对绝缘参数的测量或监视应在电网处于工作状态下进行，否则便不能反映电网的实际绝缘情况网。常见的在线检测方法有直流成分法6】、绝缘介质损耗法49、局部放电法比8|、接地线电流法4刃、附加直流电源法、工频法、附加低频电源法。但以上前四种针对的是聚氯乙稀、交联聚乙烯等类型的高压电力电缆。而低压配电网电线电缆绝缘优劣的判定依据主要是绝缘电阻。因此，针对低压配电网电线电缆特点，主要有附加直流电源的方法、工频法、附加低频电源法等适合于矿井特殊的环境。1.2.1 附加直流电源法煤矿井下低压电网一直采用附加直流电源的方法和装置来检测全电网的绝缘电阻状况。如图1.1所示，将直流信号经大地、绝缘电阻进入电网，再经三相电抗器SK、零序电感线圈LK构成回路。这样，在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流通，该电流大小的变化反映了电网对地绝缘电阻的变化。有效地检测和利用该电流，就可以构成附加直流检测式漏电保护。其电网对地绝缘电阻值通过欧姆表来反映图Ll附加直流电源法附加直流电