朱宴南，付合英，杨志佳，肖 钢
（扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司，内蒙古扎鲁特旗 029199）
作为智慧矿山的重要组成部分，露天煤矿智慧消防系统已在扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司输煤系统投入运行1 年。随着矿区数据通信和互联网规模以及数据机房规模的扩大，通信设备的用电量在显著增加[1]，且随着传输距离的延伸，电压损失越来越严重[2]，以往的48 V 供电电压已经不能满足通讯系统的要求。因此，高压直流（HVDC）供电系统理所当然地运用到矿区通信基站[3]。
矿区通信基站对电源安全供电的可靠性要求极高，目前通信基站的高压直流供电系统已升高至250～280 V。如果直流正极或负极发生接地，一旦发生人身触及负极或正极，触电电流会高达200 多mA，远远大于直流安全电流50 mA，人身安全受到极大威胁[4]。因此，需要甄别出发生绝缘下降的支路，且能够准确测量出HVDC 供电电缆绝缘下降的程度，根据绝缘下降的程度，制定相应的维修措施。为此，提出了一个既能检测到每条支路对地绝缘电阻，又能选择出故障线缆的直流漏电保护技术方案。
目前HVDC 供电系统还没有能够实现不停电的在线实时检测绝缘电阻的装置[5-6]，为此设计了1套HVDC 供电电缆在线绝缘检测及漏电保护装置，一旦某条线路直流电缆的正极或负极对地绝缘电阻下降到危险数值，装置即可在人员触及负极或正极发生触电危险以前发出报警甚至跳闸指令，防患于未然。迄今为止，国内外研究对HVDC 电缆绝缘检测主要提出的方法有信号注入法、直流分量法和介质损耗法等：直流分量是在电缆屏蔽层或芯线之间的绝缘缺陷整流作用而产生的，该分量通过屏蔽层的接地线流入大地，但是采集到的直流分量信号很小，通常为纳安级；
而屏蔽层接地线中的本身杂散电流，其大小与直流分量信号大小相当，因此很难剔除直流分量中的杂散噪声电流；
介质损耗检测法是用测量和计算出的介质损耗角正切值tanδ 对电缆绝缘状态进行诊断，但该方法只能反映电缆绝缘的整体缺陷，当电缆中某部位发生较小的绝缘下降时，其介质损耗角正切值基本不变文献［7－10］。
为此，采用信号注入法[11]，并将采集到的数据进行FFT 分析，提高精度，并计算出绝缘电阻阻值。信号注入法系统原理如图1。
图1 HVDC 供电电缆在线绝缘监测系统图Fig.1 Diagram of insulation online monitoring for HVDC power supply cable system
图1 中：RRU 为末端设备负载；
Rn+、Rn－分别为每条支路正极与负极的对地绝缘电阻；
互感器1、互感器2、…、互感器n 为信号采集单元；
Cn+、Cn－为每条支路的对地分布电容；
配电端母线已采用高阻中性点接地方式接地。所有电流互感器皆分布在各支路互感器采集数据，采集到的数据全部汇集到信号处理单元，由信号处理单元集中处理信号。
该检测方法基于信号注入法，实时地注入交流信号，由于HVDC 供电系统母线上的信号是直流信号，需要进行隔直通交处理。信号源引出2 条引线分别串联1 个合适的电感和电容并接在HVDC 供电系统的正负极母线上，这样就不会造成因直流母线引起的信号源故障。
交流信号注入法的信号源经直流母线注入到8条支路，采用正负极同时注入的方法，经屏蔽线流回。在直流母线的正负极分别并联1 个高耐压值的电容并直接中性点接地，并在其中性点上安装1 个与8 条支路相同的电流互感器。该互感器的主要作用是用来测量电容电流的相位，达到电压相位采集的目的。那么各支路的电流互感器测出的电容电流相位和实际的母线电压相位一致。HVDC 供电系统正常运行时，注入的信号电流通过HVDC 供电电缆经电缆的分布电容流回，这样可以认定电流互感器采集到的每条支路的电流只包含容性电流。当HVDC 供电系统存在某一支路正极或负极存在绝缘下降（考虑到2 条线路同时发生绝缘下降的概率极低，默认只有1 条线路发生绝缘下降其他支路正常时完成选线），信号源发出的低频交流信号，通过耦合电容C0，同时向HVDC 供电系统的正、负极母线与地之间注入。绝缘下降的电阻和电缆的电容相当于并联在HVDC 供电电缆与地之间，这样就会产生1 个阻性电流。需要同步采集正、负极母线对地电压和各支路上安装的交流互感器采集到该支路的交流信号电流，测得绝缘下降支路的电流互感器的电流大小与相位，再通过母线并联电容上的电流互感器采集到的电流相位，经FFT（Fast Fourier Transformation 即快速傅氏变换）计算出基波分量，得出阻性电流大小。因为绝缘下降的电阻相当于并联在HVDC供电电缆和地之间，两端电压相当于注入的信号源电压，这样可以反推出电缆绝缘下降的阻值大小，这样更有助于设定相应的整定值。从而，计算得出该支路的对地绝缘电阻值。以此方式对线路进行绝缘监测选线。
设交流信号源电压u 的表达式为：
从交流电流传感器中测得支路电流i 为：
则可得：
式中：U、I 为交流信号源电压、电流的最大幅值；
f 为电流频率；
t 为时间；
φ 为相位角，其大小是由系统中对地绝缘电阻阻值与分布电容所决定；
Rd为电缆对地绝缘电阻；
C 为电缆分布电容。
根据以上公式可计算发生绝缘下降故障的电缆所产生的绝缘阻值，通过HVDC 供电系统各支路电缆上的电流互感器，可以在线实时地对电缆的绝缘状态进行检测。
注入的信号为交流正弦信号，将注入的信号电压大小规定为48 V，信号的频率规定为160 Hz。选择48 V 的信号电压和160 Hz 的信号频率的原因主要有以下2 点：
1）在HVDC 供电电缆发生绝缘下降时，通过套在正负两极的电流互感器感应到的电流很小。因此，需要较大的注入信号的电压，以此来增大一次侧的电流。
2）在HVDC 供电电缆发生绝缘下降时，一次电流通过电缆的分布电容以及对地绝缘下降，电阻流回信号源频率越大，容抗越小，所以由注入信号产生的一次侧电流也越大，同时一次电流的频率越高，电流互感器的激磁效果也就越好，电流互感器二次侧的电流也就越大，这样有助于数据的采集[12]。
式中：Xc为容抗。
因此，根据以上的设计方案，如果HVDC 供电系统的某条电缆发生了绝缘下降故障，注入的交流信号流经该故障支路时，经过FFT 分析，提取基波频率与相位，再将采集到的电流分解成了容性电流与阻性电流，即可判断哪条支路发生了漏电故障并计算出绝缘下降程度[13-14]。
设计的HVDC 绝缘在线检测系统中央处理芯片选用的是型号为STM32F103RBT6 的ARM 处理器。首先通过每支路的电流互感器将采集的电流信号经过信号调理电路转化成电压信号，再通过A/D转换器将采集到的模拟信号转换为能够被系统识别的数字信号，最后通过ARM 处理器进行相关的数据处理与分析。HVDC 供电电缆在线绝缘监测系统图如图2。
图2 HVDC 供电电缆在线绝缘监测系统图Fig.2 Diagram of insulation online monitoring for HVDC power supply cable system
8 条支路线路长度分别为10、75、150、200、500、800、1 000、1 500 m。前5 条支路均采用实际电缆进行测试，后3 条电缆由于线路较长，采用外接电容模拟线缆对地电容的方式进行测试[15]。
8 条线路依次接入接地电阻，来模拟绝缘下降，绝缘下降的电阻依次从1～50 kΩ，每隔1 kΩ 进行数据的采集，只记录HVDC 供电电缆下降到1、5、10、15、20、25、28、50 kΩ 的绝缘电阻数据。每次绝缘下降的数据采集5 次，取5 次的平均值进行记录；
8条供电电缆线路（10、75、150、200、500、800、1 000、1 500 m）不同绝缘下降阻值通过串口在上位机上测得的数据精度见表1。
表1 HVDC 供电电缆绝缘监测实验数据Table 1 Insulation monitoring experimental data of HVDC power supply cable
由表1 可知：在HVDC 供电电缆绝缘下降的情况下，采用信号电压48 V、频率160 Hz 的交流信号注入法的HVDC 供电电缆在线绝缘检测系统，可以较为精准地测量出HVDC 供电电缆绝缘下降的程度，其误差范围不超过±5%。
HVDC 供电电缆选择性漏电保护系统能够实时在线地检测整个HVDC 每条支路的绝缘下降的状态；
当HVDC 供电系统发生电缆绝缘下降到危及人身触电安全限值时，HVDC 漏电保护装置供电能够对故障线路发出报警。验证了当8 条HVDC 电缆发生不同程度的绝缘下降时，绝缘检测系统能够准确选出绝缘下降的线路，并能在±5%的范围内，测量出绝缘下降的程度。HVDC 供电电缆漏电保护系统具有稳定性、准确性以及快速性，并且通过在直流母线的正负极分别并联1 个高耐压值的电容并直接接地，并在电容上套上接1 个与8 条支路相同的电流互感器，代替电压互感器，结果简单，成本低。