在线式矿井高压电缆接地故障定位装置的研制应用

孙晓通 黄衍法

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500）

1 引言

煤矿井下配电系统通常采用小电流接地系统，小电流接地系统发生单相接地故障后允许带电运行两小时。电力电缆故障主要有开路、低阻接地、高阻接地、短路、三相短路或两相短路故障，其中70%是单相接地故障，如不能及时消除，故障点的电弧可能烧毁设备，并引发相间故障，扩大事故，这意味着必须在尽可能短的时间内确定故障位置。

东滩煤矿井下中央变电所至各采区变电所6kV系统电力电缆采用矿用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯三芯电力电缆，共14路，单路供电线路长度自1800m至3500m不等,中间接头3～7个，一旦出现接地故障很难确定故障点。因此，在现场研究应用在线式电力电缆故障精测定位装置，特别是具备故障测距功能的装置具有重要意义。

2 定位装置研制

2.1 装置工作原理

通过研究、试验，东滩煤矿与科研院校合作研制了基于零模和相模电流的在线矿井电缆故障定位装置。

该装置实时捕捉电缆工作中漏电信息，分析初始行波、初始行波之后的电流波形，若零模电流量和相模电流量波形围绕参考基准零轴均出现正向突变，电流波峰紧接出现负向突变电流波谷，即完整的先正后负电流波形时，认定为电流反射行波；若所得到的零模电流量和相模电流量波形围绕参考基准零轴均出现完整的先负后正电流波形时，认定为电流透射行波。从而计算出初始行波、反射波、投射波的时刻，计算出接地故障在电缆中的位置。

2.2 装置结构

电缆单相接地故障在线测距装置，在母线测试点处设有电流采集装置，与电流电压转换装置、滤波装置，数据采集装置、工控机依次连接。经工控机对所采集数据进行运算得到故障距离。

电流采集装置包括在每相线路的首端分别安装的相模电流传感器14、15、16，以及在三相电缆外部套装的零模电流传感器17。相模电流传感器和零模电流传感器分别与各自转换装置连接。电流电压转换装置为彼此独立的4组电流电压转化器，电流电压转化器为电流串联负反馈型。滤波装置为4组电压滤波器，数据采集装置为4组数据采集板。数据采集板为40M高速数据采集板。采样速率设定为10MHz。电压滤波器滤波后的电流信号在10kHz～100kHz频率段内。

图1 电缆单相接地故障在线测距装置结构示意图。

本装置对零模和相模电流值设定采样速率进行同步采样。

2.3 装置现场实施方案

电缆接地故障定位装置主要由工业控制计算机、信号滤波调理板、高频电流信号传感器组成，装置以10M的采样速率实时采集电流信息，当监测到零模有突变信号时，系统自动记录突变前1秒和突变后2秒30M字节的数据并保存。然后准备下一次的接地故障捕捉。经工控机对所采集数据进行运算。

图2 故障定位装置现场安装示意图

3 应用情况

监控系统报警显示井下中央变电所至十四采三变电所供电线路发生漏电接地故障，通过网络从故障定位装置中读取在线测试的数据文件，发现该线路有4次接地记录文件，波形相似，其中故障发生时接地行波最明显，说明在接地故障发生前，该线路发生多次高阻接地现象。

通过对测试系统记录的原始数据分析寻找零模电流、相模电流的初始行波、透射行波、反射行波。采用波形平移比较，寻找三个波形的突变时刻t1、t2、t3。

根据波形形状可以判定行波波形依次为初始行波、透射行波、反射行波，接地故障发生在后半程，运用公式：

计算故障点到测试点的距离。

图形分析可以看出电缆距离较近，初始行波波形明显，发生时刻t1、紧随之后是透射波，透射波发生时刻t2，透射波延续时间长，透射波的后半部与反射波的头部产生折叠，造成透射波后一个明显的峰值，反射波的发生时刻不明显。采用初始波形、透射波形在第三个时刻附近移动比较，判断出反射波的发生时刻t3，实际测出：t2-t1=6250ns，t3-t2=8000ns，将测量值代入公式：

图3 根据行波信号提取行波时间

经过技术员排查，实际接地是电缆后半部分的分线盒内经金属线接地，按电缆安装距离为分线盒距离电缆初始端是1570m，距离电缆末端680m，中间如果考虑弯曲误差时，测量误差小于10m。

4 结语

线路故障定位装置的现场应用有助于及时发现电缆接地故障点，缩短了故障排查时间，避免了以往排除电缆故障采取分段截割、更换电缆的问题，节约了电缆损耗、修复、更换费用和人员劳动强度，具有较好的推广价值。