图1 绝缘参数变化与电缆劣化不同时期对应的变化关系
王永升1， 李晓娜1， 赵国栋2， 彭启轩3， 梁睿1
(1.中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221008； 2.江苏省电力公司 扬州检修分公司，江苏 扬州 225000； 3.江苏省电力公司 徐州供电公司， 江苏 徐州 221005)
摘要：分析了煤矿高压电缆出现水树枝老化、电树枝老化和整体均匀劣化下的电气特性，采用小波消噪技术和基于正交分解的信号分离技术进行接地线电流噪声处理，通过接地线电流的变化趋势和设定阈值来判断电缆是否发生绝缘劣化。Matlab仿真结果表明，研究各条线路的绝缘参数变化与相应接地线电流不同分量的关系，可实现对煤矿高压电缆绝缘在线监测特征信号的提取。
关键词：煤矿高压电缆； 电缆绝缘； 接地线电流； 在线监测； 小波消噪
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1032.015.html
煤矿井下环境恶劣，电缆绝缘层极易出现水树枝、电树枝等问题，导致电缆老化加速，绝缘水平降低，从而易发生各种接地故障，甚至出现间歇性电弧。当井下瓦斯浓度达到一定程度时，电弧的出现可能导致瓦斯爆炸，对矿井安全生产运行造成严重威胁[1]。因此，研究煤矿电力电缆的绝缘劣化[2-3]、对劣化过程进行在线监测具有重大意义。目前，应用前景广阔的电缆绝缘在线监测方法主要包括直流叠加法、直流分量法、介质损耗因数法、低频注入法、谐波分量法[4]等。本文提出一种基于接地线电流去
噪处理的煤矿高压电缆绝缘在线监测方法。该方法根据煤矿10 kV配电网中电缆发生绝缘劣化时不同时期的参数变化特征，采用小波消噪和正交分解技术实现接地线电流噪声处理，从而准确识别电缆劣化情况。
参考文献：[5]对绝缘劣化造成的绝缘电阻和分布电容的变化规律进行了实验验证，得到了以下结论：电缆绝缘劣化早期，分布电容呈现波动变化且逐渐增加；绝缘等效电阻在绝缘劣化的中后期逐渐减小。分析电缆的结构能够看出，绝缘等效电阻和分布电容的变化会引起电缆线芯与金属屏蔽层之间绝缘物质XLPE的变化，从而使接地线电流发生变化。绝缘物质劣化过程中，不同的参数变化规律引起的接地线电流波形变化不同，据此可以进行劣化类型的识别。图1给出了绝缘参数变化与电缆劣化不同时期对应的变化关系。
图1 绝缘参数变化与电缆劣化不同时期对应的变化关系
XLPE电缆导体线芯和金属屏蔽层间的绝缘能够等效成无数个绝缘电阻与分布电容并联组成的参数网络，该参数网络的阻抗大于等于100 MΩ[6]。因此，可以把电缆的绝缘状态等效成电阻、电容并联的参数模型。在煤矿配电网的拓扑结构中，屏蔽层广泛采用一端直接接地方式，因此，本文重点研究该种运行方式下的电力电缆绝缘在线监测技术。
从理论分析来看，XLPE电缆金属保护层的接地线电流Ij包含电容电流Ic、磁感应环流Ii及泄漏电流Ir，在电缆绝缘状态正常的时候，泄漏电流Ir非常小，在工程计算过程中常常忽略。针对电缆金属保护层单端接地的情况，磁感应环流Ii约等于零，则接地线电流为
(1)
式中:ω为系统角频率；l为电缆长度；C0为单位长度电缆的电容量；U为电缆线芯的对地电压；e0为真空介电常数；e为电缆主绝缘的相对介电常数；D1，D2分别为电缆绝缘层的外径和线芯直径。
从式(1)能够看到，接地线电流的大小正比于电缆的对地分布电容。若电缆产生局部绝缘缺陷或者整体均匀劣化，会使得绝缘内部的空间电荷量以及极性基团量有所增加，并且加强了松弛极化。绝缘介电常数的极化率ε增大，等效为电缆绝缘的对地电容增大，相对应的电缆单端的接地线电流也加大,所以对于单端接地的电缆而言，可以利用接地线电流变化曲线来判断是否发生绝缘劣化。
在电缆金属保护层两端接地及交叉互联结构中，接地线电流Ij是电容电流Ic和磁感应环流Ii的矢量和，Ij的大小介于Ii,Ic的代数差与和之间。电缆交叉互联结构中的接地线电流计算特别繁琐，而电缆金属保护层采用单端接地方式时，一般是Ii远大于Ic，采用近似计算可得
(2)
(3)
式中：EA为A相电缆线芯上流过的电流在A相电缆金属保护层上引起的感应电动势；R1为感应电流回路中除掉电缆金属保护层后的等值电阻，包括了接地线电阻、电缆两端接地引下线之间的接触电阻及有关的导通电阻等；X为电缆金属保护层的自感抗；ρ为电缆金属层材料的电阻率；S为电缆金属层的截面积；α为材料的温度系数；θ为电缆线芯导体的工作温度；η为电缆金属保护层的温度相对于导体温度的比率，其值与绝缘热阻有关。
2.1 水树枝引起的绝缘劣化
自从学者发现电缆绝缘劣化和水树枝增长的正比例关系后，目前已经普遍认为水树枝的出现是电缆绝缘开始劣化的标志[7]。由于水树枝的尖部会有高强度电场产生，导致水树枝在电缆绝缘层中不断扩展，并且渐渐演变为电树枝，出现大面积的贯穿，然后绝缘层的电树枝引发绝缘击穿，即间歇性高阻接地故障。整个劣化至击穿过程呈现随机性变化。
在电缆的水树枝发展过程中，绝缘电阻的变化是非线性的，同时水树枝的产生会引起绝缘电阻的下降和等效电容的增加。但是对于接地线电流，在此过程中绝缘电阻降低引起的变化很不明显，接地线电流增加主要是由于分布电容变化引起的，故通过模拟分布电容的非线性变化来等效电缆的水树枝发展趋势。图2为控制可变容抗XC随时间的变化曲线，图3为线路发生水树枝老化时的接地线电流波形。
图2 控制可变容抗随时间的变化曲线
图3 线路发生水树枝劣化时的接地线电流波形
2.2 电树枝引起的绝缘劣化
当由水树枝或者局部放电发展成电树枝后，电缆的绝缘参数仍然是非线性变化。电树枝劣化后，电缆绝缘可等效为对地导纳参数网络,数值非线性增加。由于电缆出现电树枝属于绝缘劣化的后期，对于等效参数模型而言，绝缘电阻的非线性下降占主导因素，绝缘电阻对应的导纳增加趋势加快[8-9]。图4为控制绝缘电阻随时间的变化曲线，图5为对应的线路发生电树枝劣化的接地线电流波形。
图4 控制绝缘电阻随时间的变化曲线
2.3 整体电缆均匀劣化
从电路参数模型的角度分析，电缆绝缘等效为绝缘电阻和分布电容同时线性或者非线性变化，本文综合考虑水树枝和电树枝的情况，模拟对地等效参数的线性变化，得到相应的接地线电流变化，通过Matlab/Simulink搭建实际配电网的拓扑结构和负荷分配，依次对各条支路的均匀劣化进行仿真实验，
图5 线路发生电树枝劣化时的接地线电流波形
建立关于不同支路编号的接地线电流样本数据库，进行实际电缆绝缘劣化与样本组的相关度分析。某种均匀劣化类型的接地线电流变化趋势如图6所示。
图6 某种均匀劣化类型的接地线电流变化趋势
通过电压互感器(TV)、电流互感器(TA)测得本文所需要的特征信号，再通过调理电路转换成适合AD转换的电压信号，利用AD转换器将现场的模拟信号转换成数字信号[10-11]。上述处理环节中均可能有噪声产生，为了使仿真较精确地逼近现场试验，需要给出待仿真信号的噪声分量，本文将不同标准差的高斯白噪声作为噪声分量，对加入噪声分量后的仿真信号实施小波消噪处理。参考文献[12-13]把基于小波变换的去噪技术应用到对电力系统交流采样信号的处理中，参考文献[14]把多小波消噪技术应用到电力系统的局部放电处理中，取得了很好的效果。小波分析的窗口大小固定且窗口形状可变，是一种时间窗和频率窗均能变化的时频域局部化的分析方法。信号的自适应性主要体现在：在信号的低频范围内呈现低时间分辨率和高频率分辨率的特征；在信号的高频范围内呈现高时间分辨率和低频率分辨的特征。
影响信号消噪效果的重要一步是阈值量化[15]。在针对阈值的处理方法中，小波变换能够实现针对50 Hz频率的平稳信号的噪声消除，因此，采用强制消噪的方法对阈值进行量化，将小波分解后的高频系数直接归零，达到滤除信号中所有高频部分的目的，然后再实施重构处理。
将标准正弦交流信号f(i)叠加高斯白噪声(标准差为0.25)后，对其实施采样，要求的采样点为1 000，采样频率为70 kS/s。原始信号以及叠加白噪声后的信号波形如图7所示。
(a) 原始信号
(b) 叠加白噪声后的信号
图7 原始信号以及叠加高斯白噪声后的交流采样信号
在标准仿真信号中叠加标准差为0.25的高斯白噪声后，用强制消噪的算法进行处理，对处理后的信号进行1—6层小波分解。结合去噪后的3个效果指标：赋范误差、平均误差以及均方误差，相应的误差见表1。
表1 在不同分解层数中对应的去噪效果
分析表1可知，5层分解时去噪效果最佳，分解层数继续增加后，波形出现了畸变。所以，本文选用5层小波分解。依次对信号使用强制消噪、默认阈值消噪法进行处理，得到的仿真结果如图8、图9所示。
通过搭建基于Matlab的配电网拓扑结构，在发生局部绝缘缺陷的情况下，令劣化位置处的绝缘等效电阻R和分布等效电容C均保持不变，得到不同电压等级下对应的R-I关系和C-I关系，如图10和图11所示。
图8 强制消噪后的效果
图9 默认阈值消噪后的效果
图10 不同电压等级下对应的R-I关系
图11 不同电压等级下对应的C -I关系
分析图10和图11可看出，系统的电压等级越高，局部缺陷产生的接地线电流越大，即高压系统的接地线电流变化曲线要比低压系统的上移。在分别保持绝缘电阻和分布电容不变的情况下，图10和图11中各电压等级对应的接地线电流Cf-I、Rf-I变化趋势基本相同。因此，应结合煤矿高压配电网结构的独特性，实时采集各条电缆线路接地线电流变化情况，通过接地线电流的增加趋势和设定阈值来判断是否发生绝缘劣化。
为了进一步验证本文方法的可靠性，考虑空载与负载情况下的绝缘水平与接地线电流的对应关系，同时给出了在负载不对称度发生变化的情况下，相应接地线电流的变化情况，如图12、图13所示。
图12 绝缘电阻不变，空载和负载情况下
接地线电流变化曲线
图13 分布电容不变，空载和负载情况下
接地线电流变化曲线
不管是系统空载还是带有负载，当局部缺陷处的绝缘电阻保持不变时，分布等效电容C0和接地线电流I之间的关系具有规律性，即随着Cf的增大，接地线电流的变化具有比较明显的过渡时期，在这样的过渡时期，分布电容的增加几乎不会引起接地线电流的变化；但是随着分布电容Cf的大幅度增加，接地线电流也迅速增加。在空载与负载2种情况下，等效电容电流的变化曲线C0-I和等效电阻电流的变化曲线R0-I都有很大不同，并且空载情况下对应的电容、电阻曲线比负载时的曲线明显上移。因此，空载情况对应的接地线电流比负载情况下的接地线电流更能够灵敏地反映电缆的局部绝缘故障。这主要是由于系统所带负载中的感性分量与反映电缆绝缘的容性分量发生了抵消。
分析了煤矿井下10 kV电缆接地线电流在电缆绝缘状态在线监测方面的特征变化关系，然后分析了电缆在出现水树枝劣化、电树枝劣化和整体均匀劣化下的电气特性，在给出各个劣化类型相应的等效参数变化规律的基础上，搭建了相应的Matlab
模型，同时考虑了负载变化对接地线电流信号的影响，给出了相应的接地线电流变化曲线。分析了空载与带载情况下接地线电流变化，为煤矿电力电缆绝缘在线监测提供依据；应用小波消噪对提取信号进一步优化，使特征量更为明显。
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WANG Yongsheng1， LI Xiaona1， ZHAO Guodong2， PENG Qixuan3， LIANG Rui1
(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China; 2.Yangzhou Maintenance Branch, Jiangsu Electric Power Company,Yangzhou 225000, China; 3.Xuzhou Power Supply Company, Jiangsu Electric Power Company,Xuzhou 221005, China)
Abstract：Electrical characteristics of coal mine high voltage cable was analyzed under situation of water tree aging, electrical tree aging and overall uniform deterioration. Wavelet noise canceling technology and signal separation technology based on orthogonal decomposition were used for noise signal processing of grounding line current. Changing trends and set threshold of grounding line current were used to determine whether cable insulation deterioration occurs. Matlab simulation results show that researching relationship between insulation parameters changing of each line and different components of corresponding grounding-line current enables extraction of characteristic signal of online monitoring of high voltage cable insulation degradation of coal mine.
Key words：coal mine high voltage cable; cable insulation; grounding line current; online monitoring; wavelet denoising
收稿日期：2016-01-18；
修回日期：2016-04-25；责任编辑：胡娴。
作者简介：王永升(1990-)，男，山西大同人,硕士研究生，主要研究方向为电气设备绝缘在线监测，E-mail：1028713962@qq.com。
中图分类号：TD608
文献标志码：A 网络出版时间：2016-06-01 10:32