基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法与流程

本发明涉及一种矿井供电系统交流杂散电流的建模方法，特别是一种用于矿用的屏蔽电缆因泄漏引起的交流杂散电流，属于矿井供电系统交流杂散电流建模领域。

技术背景

近年来，随着矿井综采自动化工艺的推广应用，矿井负荷容量及供电电压等级得到了大幅提高，供电距离不断增加，矿井交流杂散电流这一安全隐患也变得越来越不容小视。它的危害主要体现在以下几方面：①使电雷管发生先期引爆；②产生电火花，引起瓦斯爆炸；③腐蚀井下金属管道和电缆外皮；④使漏电保护装置发生误动作。据统计，我国煤矿因杂散电流管理不善引发的安全事故占煤矿机电事故的25%~35%。因此，确定一种基于分布参数的煤矿井下交流杂散电流建模方法，对于研究矿井交流杂散电流分布规律及其检测与防治方法，确保矿井供电及生产安全具有非常重要的现实意义。

在矿井交流杂散电流领域，现有公开的技术，王志宏“交流杂散电流的研究”的科技论文中，针对井下采区电网建立了分析交流杂散电流的电路模型，属于集中参数模型，无法分析交流杂散电流的沿线分布规律；“一种基于煤矿井下交流杂散电流分布的电缆绝缘诊断方法”的发明专利中，针对井下低压电网三相电缆建立了交流杂散电流的分布参数电路模型，其目的是对电缆主绝缘故障进行诊断，并未考虑电缆是否有屏蔽层，也未考虑电缆屏蔽层、护套层以及电缆敷设方式对交流杂散电流分布的影响。实际上，矿用电缆在长期运行过程中，因受电、热、化学作用以及淋水、冒顶、拖拽等因素影响，使得电缆主绝缘层与护套层的绝缘水平都会下降，从而导致从导体线芯经主绝缘层泄漏到屏蔽层的交流杂散电流以及再经护套层泄漏到电缆外金属锚网或大地等的交流杂散电流幅值增大。其中，屏蔽层的作用不可忽视。因此，有必要结合矿用屏蔽电缆的结构，研究一种基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法，为明确矿井交流杂散电流的分布规律，以及进一步研究相应的检测与防治方法奠定理论基础。

技术实现要素：

本发明提供一种基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法。具体技术方案如下：

一种基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法，其特征在于：所述建模方法是按下列步骤进行的：

（1）以悬挂在金属锚网上的矿用屏蔽电缆为建模对象；

（2）结合矿用屏蔽电缆结构及其敷设要求得到由电缆泄漏形成的矿井交流杂散电流的流通路径如下：

a、电源→导体线芯→主绝缘层→屏蔽层→接地点→大地→隔直电容→零序电抗器→三相电抗器→电源；

b、电源→导体线芯→主绝缘层→屏蔽层→护套层→金属锚网→隔直电容→零序电抗器→三相电抗器→电源；

（3）根据上述流通路径，采用分布参数等值电路建立交流杂散电流分布模型；所述分布模型包括电源、漏电保护主回路、线路、金属锚网、负荷等五部分，其中电源为三相对称电源；漏电保护主回路为三相电抗器、零序电抗器与隔直电容串联组成；线路与金属锚网部分采用微元等值电路的思想，并假设矿用屏蔽电缆各参数，导体线芯电阻、电感，主绝缘电导、分布电容，屏蔽层电阻、电感，护套层电导和电容，均匀分布，且三相导体线芯参数均相等，三相主绝缘层参数因受电热老化、环境因素或电缆自身结构影响而不对称，金属锚网电阻均匀分布；负荷为三相对称负荷。

在上述技术方案中，所述线路与金属锚网部分采用微元等值电路的每一个小微元dx包括有三相导体线芯电阻R_ddx和电感L_ddx，三相主绝缘层的绝缘电导G_jadx、G_jbdx、G_jcdx和分布电容C_jadx、C_jbdx、C_jcdx，屏蔽层电阻R_pdx和电感L_pdx，护套层电导G_hdx和电容C_hdx，金属锚网电阻R_wdx。

本发明上述所提供的一种基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法，是基于分布参数模型计算井下交流杂散电流的分布，并可以此为依据来检测井下交流杂散电流。本发明中的关于交流杂散电流的建模方法与现有的杂散电流建模方法相比具有如下优点。

一是采用的分布参数模型结构简单，所需的变量较少，便于计算。

二是采用分布参数模型，能够直接计算出电缆沿线各位置处的杂散电流，便于更进一步分析杂散电流。

三是考虑了电缆结构及其敷设条件，是对实际情况的再现。

附图说明

图1是本方法所建立的交流杂散电流分布参数模型。

图2是本方法所采用的微元等值电路。

图3是本方法计算得到的流经屏蔽层的交流杂散电流有效值沿电缆延伸方向的分布图。

图4是本方法计算得到的流经金属锚网的交流杂散电流有效值沿电缆延伸方向的分布图。

具体实施方案

为了保障煤矿井下屏蔽电缆的供电安全，对腐蚀煤矿井下屏蔽电缆的杂散电流的检测和防护已成为必然，复杂的环境使杂散电流难于直接检测，为此本发明深入杂散电流产生机理，运用电路理论推导杂散电流分布的理论公式，根据杂散电流的分布规律，分析了影响杂散电流的各个参数，设计了基于供电区间的有效的分布式煤矿井下杂散电流模型。

下面结合附图及实施案例对本发明所涉及的基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法进行详细说明。

实施本发明所提供的一种基于分布参数的矿井供电系统交流杂散电流建模方法，该方法包括初始阶段及计算仿真阶段，在以下步骤中，第一步至第五步为初始算法推导阶段；第六步和第七步为计算仿真阶段；其包括按顺序进行的下列步骤。

（1）针对井下1140V交流电网，以MYP-0.66/1.14 3×35+1×16型矿用橡套屏蔽电缆为研究对象；

（2）结合矿用橡套屏蔽电缆结构及其敷设要求可以得出由电缆泄漏形成的矿井交流杂散电流可能的流通路径有2条：

a.电源→导体线芯→主绝缘层→屏蔽层→接地点→大地→隔直电容→零序电抗器→三相电抗器→电源；

b.电源→导体线芯→主绝缘层→屏蔽层→护套层→金属锚网→隔直电容→零序电抗器→三相电抗器→电源；

（3）根据上述流通路径，采用分布参数等值电路建立交流杂散电流分布模型，如图1所示；

（4）根据微元等值电路，如图2所示，列出描述该分布模型的微分方程；设每千米电缆导体线芯的电阻、电感分别为R_d、L_d，每千米电缆三相绝缘层的绝缘电导、分布电容分别为G_ja、G_jb、G_jc、C_ja、C_jb、C_jc，每千米电缆屏蔽层的电阻、电感分别为R_p、L_p，每千米电缆护套层的电导、电容分别为G_h、C_h，每千米金属锚网的电阻为R_w，流经三相导体中的电流分别为i_da、i_db、i_dc，流经屏蔽层的杂散电流为i_p，流经金属锚网的杂散电流为i_w，各相导体层与屏蔽层之间的电压分别为u_ja、u_jb、u_jc，屏蔽层与电缆表皮之间（即护套层）的电压为u_h，则基于分布模型的微分方程组为：

（5）整理上述方程组，略去二阶微量，并用相量形式表示如下：

（）同时采集矿用橡套屏蔽电缆在变压器1140V侧的始端电压信号

及电流信号

，然后利用MATLAB软件解上述微分方程组，可得沿着电缆延伸方向流经三相导体层的电流，流经屏蔽层的交流杂散电流，流经金属锚网的交流杂散电流，三相导体层与屏蔽层之间的电压，屏蔽层与电缆表皮之间的电压的数值解；

（7）通过MATLAB编程可得沿着电缆延伸方向，流经屏蔽层、金属锚网的交流杂散电流分布曲线，如附图3、附图4所示，为井下交流杂散电流的检测与防治提供了技术指导。

上述第三步中交流杂散电流分布参数电路模型如附图1所示，其模型包括电源、漏电保护主回路、线路、金属锚网、负荷等五部分。其中，电源为三相对称电源；漏电保护主回路由三相电抗器、零序电抗器与隔直电容串联组成；线路与金属锚网部分采用分布参数电路的思想，并假设矿用屏蔽电缆各参数（导体线芯电阻、电感，主绝缘电导、分布电容，屏蔽层电阻、电感，护套层电导、电容等）均匀分布，且三相导体线芯参数均相等，三相主绝缘层参数因受电热老化、环境因素或电缆自身结构等影响而不对称，金属锚网电阻均匀分布；负荷为三相对称负荷。

上述第四步中微元等值电路如附图2所示，其描述的是线路与金属锚网部分，该部分采用分布参数电路的思想，即假设电缆和金属锚网是由许多无穷小微元dx组成，每一个微元包括三相导体线芯电阻R_ddx和电感L_ddx，三相主绝缘层的绝缘电导G_jadx、G_jbdx、G_jcdx和分布电容C_jadx、C_jbdx、C_jcdx，屏蔽层电阻R_pdx和电感L_pdx，护套层电导G_hdx和电容C_hdx，金属锚网电阻R_wdx。

线路参数的设定值为：R_d=0.618Ω/km，L_d=0.3mH/km，G_ja=6.49μS/km，G_jb=5.71μS/km，G_jc=7.14μS/km，C_ja=0.518μF/km，C_jb=0.6μF/km，C_jc=0.648μF/km，R_p=1Ω/km，L_p=0.01mH/km，G_h=8.26μS/km，C_h=0.439μF/km，R_w=0.02Ω/km；线路长度取0.5km。

在计算交流杂散电流时，基于分布参数等值电路，将线路参数与变压器二次侧各电压信号、电流信号代入步骤五所列微分方程组中，即可求得流经屏蔽层、金属锚网的交流杂散电流。附图3为计算得到的流经屏蔽层的交流杂散电流有效值沿着电缆延伸方向的分布图；附图4为计算得到的流经金属锚网的交流杂散电流有效值沿着电缆延伸方向的分布图。

最后应该说明的是：以上所述的仅为本发明的一个实施案例而已，并不限于本发明，本领域的技术人员可以对前述各步骤的参数进行修改和替换。此外，本发明是以金属挂钩悬挂在金属锚网上的矿用屏蔽电缆为对象进行建模的，但阐述的分析建模方法并不限于悬挂在金属锚网上的矿用屏蔽电缆，相关技术人员可结合具体电缆结构及其敷设方式与环境进行修改。凡在本发明的技术及原则之内，所进行的任何修改、替换及改进都应该视为在本发明的保护范围之内。