魏建荣，梁永昌，王泉
(广东电网有限责任公司东莞供电局, 广东 东莞 523000）
摘要：针对目前低压电缆绝缘性能检测困难的问题，本文提出基于单相电缆仿真（SPC）模型的低压电缆绝缘状态评估方法。SPC模型可真实模拟低压电缆的绝缘水平，反映电流相位大小与电缆绝缘性的关系，具有良好的绝缘监测效果。采用 MATLAB 仿真平台调节电缆电阻的RLC参数，分析不同参数对绝缘能力的影响，实现对低压电缆绝缘性能的有效监测，对提高低压电缆供电安全性及稳定性具有一定的参考意义。仿真结果表明：当电缆电流呈感性时，电缆间相位差增大，绝缘性提升；当电缆电流呈容性时，电缆间相位差减小，绝缘性能下降；当减小电缆对地绝缘电阻时，电缆电流增大，绝缘水平降低。
关键词：SPC模型；绝缘检测；相位差；MATLAB
Insulation Simulation Monitoring of Low Voltage Cable Based on Single-phase Cable Simulation Model
Wei Jianrong, Liang Yongchang, Wang Quan
(Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Dongguan 523000, Guangdong)
Abstract: In view of the difficulty in testing the insulation performance of low-voltage cables, this paper proposes a method for evaluating the insulation status of low-voltage cables based on single-phase cable simulation (SPC) model. The SPC model can simulate the insulation level of low-voltage cable and reflect the relationship between current phase and cable insulation, which has good insulation monitoring effect. The RLC parameters of cable resistance are adjusted by MATLAB simulation platform, and the influence of different parameters on insulation capability is analyzed. The effective monitoring of insulation performance of low-voltage cable is realized, which is of reference significance to improve the safety and stability of low voltage cable power supply. The simulation results show that: when the cable current is inductive, the phase difference between cables increases and the insulation improves; when the cable current is capacitive, the phase difference between cables decreases and the insulation performance decreases; when the cable insulation resistance to ground decreases, the cable current increases and the insulation level decreases.
Key words: single-phase cable simulation model; insulation detection; phase difference; MATLAB
0 引言
电缆作为传输电能不可或缺的设备，对电网的安全稳定运行具有重大的意义[1-3]。在实际工作环境中，由于受温度、外力、机械、化学的影响，电缆极易出现绝缘老化的现象，大幅度弱化了电缆的绝缘能力，进一步降低了电网安全性[4-7]。电缆绝缘水平的下降会引起漏电流和单相接地的产生，并有可能发展为相间短路事故，为人身安全带来了巨大的隐患[8-9]。据调查统计，电缆故障是造成供电事故的主要原因之一，也是造成瓦斯、粉尘爆炸等重大危害的关键因素[10-11]。
目前，主要通过水树枝观测、介电谱测试、FTIR光谱、拉伸试验、电老化试验、热重分析、差示扫描量热、热老化试验以及加速水树老化试验等方法,对电缆绝缘老化及其检测方法进行研究[12]。但这些技术多数较为复杂，可行性低。
因此，为了提高低压供电的安全性和可靠性，提高电缆的绝缘能力，对电缆的绝缘水平进行监测是非常重要的工作。针对以上问题，本文提出基于单相电缆(Single phase cable，SPC)模型的低压电缆绝缘监测方法。通过测量单相电缆的电流大小和相位差，观察低压电缆的绝缘情况。采用 MATLAB 仿真平台调节电缆电阻的RLC参数，分析电缆的绝缘水平，研究不同参数对绝缘能力的影响，实现对低压电缆绝缘效果的监测，对提高低压电缆供电的安全性和稳定性具有重大的意义。
1 SPC模型
为了减小电源对监测效果的影响，确保监测精度不受工频信号的干扰，SPC模型在供电元件上采用了漏电电流的相角差法。
模型的电源被通电后，电流经由电缆的绝缘电阻、对地电容与大地连接，形成闭环回路。通过电容电流补偿原理，对测量的电流信号和相位角进行分析，准确提取阻性电流的参数，从而实现监测电缆绝缘性能的目的。
SPC模型电路设计如图1所示。图中，U表示电源，A1、A2分别表示电流测量仪器，R1、C1分别表示电缆的对地绝缘电阻和对地电容，RLC表示电阻、电感、电容电路。通过FFT算法滤除低频信号中的高次谐波，提高模型仿真的可靠性。
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图1 SPC模型
对于模型中的任一支路，电源的电势可由公式(1)描述：
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(1)
然而，在电缆的实际运行中，RLC的数值远小于电缆的绝缘阻抗，故公式(1)等效为：
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(2)
2 SPC模型的仿真
2.1 仿真实验
在MATLAB软件的SIMULINK平台中，选择相应的模块对SPC模型进行仿真搭建，并测量电流的大小及相位差，分析电缆的绝缘性能。
为了保证模型仿真的真实性，电源电压设置为220V，频率为50Hz。通过改变R1和RLC的数值，得出电流变化的波形，计算电缆间的电流差和相位差。仿真结果如图2所示。图中，红色波形为A1的电流变化，绿色波形为A2的电流变化；(a)-(e)分别为R1、R、L、C不同取值测得的结果。
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图2 SPC模型的仿真结果
2.2 数据分析
根据仿真实验的结果，计算出电缆电流变化的大小和相位差，分析低压电缆电阻、电容、电容与绝缘性能的关系。如表1所示。
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结合图2与表1数据分析可得，当电缆R为100Ω，且L、C不存在时，减小地绝缘电阻R1，则流过电缆的电流增大，电缆之间的相位差减小，使电缆的绝缘水平下降；在电缆中加入电感L，使电路呈感性，电缆的电流大小虽然不发生变化，但相位差增大，从而提高了电缆得绝缘性能；在存在电阻R和电感L的电缆电路中，减小R1的阻值，导致电缆电流增大，相位角减小，电缆的绝缘性能变差；当电路同时存在R、L、C时，电缆电流大小不发生改变，但会大幅度减小电缆间的相位差；若保持R、L、C数值不变，减小R1阻值，导致电缆电流增大，相位差也逐渐增大，电缆绝缘性能提高。
因此，电缆绝缘电阻的减小会增大流过电缆的电流，弱化电缆的绝缘能力，提高了事故发生的概率。而在电路中引入电容和电感，会改变电流的相位，影响电缆绝缘电阻的检测精度。电感的存在使通过电缆的感性电流滞后于阻性电流，电容则起到了超前阻性电流的作用。电缆处于正常工作状态时，容性电流远大于阻性电流。当电缆绝缘性能出现故障时，容性电流不发生改变，但阻性电流变化剧烈，极大影响了电缆的低频电流，加快了电网供电事故的发生。通过对SPC模型的仿真，测量电缆电流的大小和相位差，以数据的方式反应了电缆绝缘性能的好坏，为绝缘水平的监测带来了便捷性，提高了电缆绝缘性能监测的准确性，为运维人员监测电缆的绝缘性能提供了一种有效的方法。
3 总结
本文针对低压电缆绝缘检测难等问题，提出了基于SPC模型的低压电缆绝缘监测方法。
1) 通过对SPC模型的搭建和仿真，提高了阻性电流的精确度。
2) 通过仿真实验，研究了低压电缆电阻、电容、电容对绝缘性能的影响。
3)通过电缆绝缘电阻、相位角、感性电流、容性电流，对电缆的绝缘性能进行分析，实现低压电缆绝缘性能的监测，进一步保障了电网的供电安全性。
参考文献
[1]曹炜卿.基于单片机的电缆在线监测分析[J].煤炭技术,2011,30(11):47-48.
[2]周莉,聂琼,马燕平.基于单片机的电力电缆绝缘故障在线监测系统的设计与构建[J].煤炭技术,2011,30(2):55-56.
[3]丁伟民.高压电缆状态监测及故障诊断预警系统的研究[D].太原:太原理工大学,2010.
[4]党军.矿用电缆的故障及其寻找方法[J].煤炭技术,2007,26(7):130-131.
[5]王彦文,赵强,霍春安.矿井低压电缆绝缘参数在线监测的仿真研究[J]. 煤矿机电,2007,1(3):21-22.
[6]王虹桥.附加直流电源的电缆绝缘在线监测新方法[J].煤炭科学技术,2000,28(4):19-20.
[7]张自友.单片机在煤矿电气自动化中的应用[J].煤炭技术, 2012,31(7):44-45.
[8]罗华煜,关根志,易小羽.基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测[J].高电压技术,2005,31(11):63-64.
[9]陈天翔,段建东,陈天韬,等. 电力电缆绝缘在线监测测量方法及判据设计[J].高压电器,2004,40(30):183-184.
[10]梁增元. 煤矿低压电缆绝缘状态检测与寿命评估[J].煤炭技术,2012,31(3):82-83.
[11]吴云飞. XLPE 电缆主绝缘状态检测方法的研究[D].武汉:华中科技大学,2005.
[12]刘飞. 35kV及以下XLPE电力电缆绝缘老化评估研究[D].上海交通大学,2014.
作者简介
魏建荣（1978-），男，高级工程师、高级技师，本科学历，从事营销计量、反窃电工作。
梁永昌（1971-），男，高级工程师、高级经济师、高级技师，本科学历，从事营销计量、反窃电工作。
王泉（1991-），男，助理工程师，研究生学历，从事电力营销稽查工作。