煤礦井下電纜故障定位技術研究

(潞安集團物資供應處，山西長治046000)

0 引言

隨著我國煤礦綜采工作面機械化和智能化程度的提升，對采煤機過程穩定性和安全性的要求也越來越高。煤礦井下工作環境特殊，因此穩定的電力供給是生產、運輸、照明和通風的重要保障。同時，由于井下各種用電設備較多，因此需鋪設大量電纜。但煤礦生產環境復雜，液壓支架、輸送機等設備需頻繁移動，加之巷道圍巖墜落等，都易對電纜造成破壞，發生短路、漏電等故障。故障發生后，單純依賴人力對故障位置進行排查，準確性差，且極為耗時，對煤礦連續生產的影響較大。

為保證井下用電安全，我國煤礦一般采用中性點不接地或經消弧線圈接地的連接方式，當出現單相接地故障時，由于對地電阻較大，因此漏電電流小，不會造成人身觸電，但此時該相與非故障相的相對電壓增大，若處理不及時，容易引起相間擊穿，從而擴大故障影響范圍，嚴重威脅煤礦安全生產。

由此可知，研究和解決井下電纜故障點的準確及時定位，對于煤礦生產穩定性和安全性的提高意義較大，本文將重點對此進行研究。

1 井下電纜故障分類

井下電纜常見故障類型包括斷路、漏電、短路等，但按照故障位置阻抗大小區分，可分為高阻故障和低阻故障兩類：

(1)高阻故障：一般指故障發生點的直流電阻顯著大于電纜自身的特性阻抗，例如斷路、高阻泄漏和閃絡性故障等。其中斷路表明線纜的一相或者多相的金屬導線，在外力作用下斷開，從而截斷電流通路，電阻值無限大；高阻泄漏則是指故障點的電阻值極大，漏電電流隨著電壓升高而增大；閃絡性故障是指只有當電壓升高至某一數值時，線路故障點才會發生泄漏。

(2)低阻故障：是指回路中的電阻值降低，使故障區段的線路阻抗接近導線自身電阻，例如短路等。

2 電纜故障點定位步驟

圖1 電纜故障點定位步驟

由于井下電力系統復雜，因此在發生電纜故障后，應通過科學、合理的步驟對故障類型和故障點位置進行排查，以提高故障排除效率，具體步驟如圖1。

第一步，確定故障線路，及時切斷電源。該步驟可防止長時間線路故障對電氣設備的損壞，同時為故障排除提供安全操作環境；

第二步，確定故障類型。通過電力系統中專用設備的監測，可對各種故障類型進行初步確定。通過該步驟，可為進一步選擇故障排除方法提供參考，并有效提高故障排除效率；

第三步，故障點位置粗測。一般情況下，使用阻抗法或行波法，對故障點進行粗測，劃定范圍，然后再由專人至該范圍內精測；

(1)信任前因。本文選取的資產負債率(apl)和營業收入(turnover)兩個企業特征變量均在較高的置信水平下顯著，前者與能力信任(trust_ab)負相關，后者與能力信任正相關，表明小微企業的負債率越低，營業收入越高，越有助于提升銀行對企業的能力信任。

第四步，故障點位置精測。在故障點附近，使用音頻感應設備對具體故障位置進行精確定位。

以上步驟中，步驟二和步驟三最為重要。判斷故障類型是進行后續檢測的基礎，而故障點粗測的準確度和精度等信息將決定后續維修作業的工作量，并直接影響著故障電路的電力恢復時間，因此應重點進行研究。本文將對基于TDR的故障定位原理和定位系統建立方法進行研究，為進一步提高故障點的粗測精度提供技術支持。

3 基于TDR的故障定位原理

TDR是時域反射法(time domain reflectometry)的簡稱，其檢測速度快、精度高、安全性好，適宜作為井下電纜故障檢測。另外，該方法可同時實現對故障類型和故障位置的判定，且所需檢測設備較少，便于操作。

3.1 故障位置檢測原理

圖2 TDR法故障位置檢測原理

TDR法利用了脈沖行波的反射特性，根據電力學中電磁波傳輸理論可知，當電磁波在電纜中傳輸時，在阻抗差異點處將發生反射現象，而常見的高阻或低阻故障在故障點處有明顯的阻抗變化。因此，如圖2所示，可在測量位置向被測電纜內發射一個低壓脈沖信號，信號在故障點處發生反射，然后計算入射脈沖與反射脈沖之間的時間差Δt，再乘以相應導線內電磁波的波速v，即可得到測量位置與故障點之間的距離s：

(1)

其中，Δt由專用模塊精確測得，測量方法如3.3所述。電磁波在導線內的傳播速度v表示如下：

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，c=3×108m/s；μr為線纜外層絕緣材質的相對導磁系數；εr為線纜外層絕緣材質的相對介電常數。

由上可知，電纜中脈沖行波的傳輸速度與導線的材質、長度等無關，而決定于外層絕緣材料的性質。礦用導線一般為交聯聚乙烯絕緣銅芯材料，其μr=1，εr=2.4，則v=194 m/μs。

3.2 故障類型判定方法

(3)

圖3 故障點處反射特性

式中：ZL為導線故障位置的特性阻抗；ZC為正常導線的特性阻抗。

當導線發生短路等低阻故障時，故障點處阻抗ZL接近零，此時反射系數ρf=-1。在檢測位置注入圖3(a)所示正極性脈沖時，反射脈沖為負極性。而當導向發生開路等高阻故障時，故障點處阻抗ZL接近于無窮大，此時，反射系數ρf=1。在檢測位置注入圖3(b)所示正極性脈沖時，反射脈沖同為正極性。利用以上反射特性，可對故障類型進行判定。

3.3 時間間隔精確測量方法

圖4 延遲線法測量原理

TDR法對故障位置的檢測精度很大程度上與時間間隔Δt的測量精度有關。為提高Δt的測量精度，可采用延遲線法。該方法將測量時間分為粗、精兩部分，如圖4，粗測部分利用系統內置時鐘電路的固有周期τ進行測量，被測時間間隔Δt可包含α個整數倍的τ；精測部分采用抽頭延遲芯片，對剩余時間Γ進行測量。隨著集成芯片技術的發展，現代抽頭延遲芯片的測量精度可達百皮秒級，極大提升了TDR法中時間間隔的測量精度。

因此，時間間隔Δt可表示為：

Δt=α·τ+Γ

(4)

(5)

4 井下電纜故障定位系統

圖5 井下電纜故障定位系統結構

根據以上TDR法檢測原理研究，如圖5所示，井下電纜故障定位系統主要包括信號處理模塊、脈沖發送和收集模塊、顯示和輸入模塊三部分。其中，信號處理模塊由數據處理芯片、脈沖發生電路、抽頭延遲芯片和數據緩存區組成，脈沖發生電路可產生周期τ為10 ns的振動方波，然后經脈沖放大電路放大處理后輸入被測電纜；抽頭延遲芯片可構建精度在100皮秒以內的延遲線，然后獲得精測時間，與粗測模塊數據相結合，可測得發射脈沖與反射脈沖的時間間隔Δt；數據緩存區可高速存儲測量數據，以供數據處理芯片對全部數據進行整理計算；顯示和輸入模塊可接收由數據處理芯片計算所得結果，顯示故障類型和故障距離。

目前，市場在售的信號處理模塊SPARTAN6系列FPGA，其集成度較高，功能完善，脈沖發生或抽頭延時功能均可滿足故障定位功能要求。經測試，根據以上系統結構構建的井下電纜故障定位系統的精度可達1 m左右，具備對短路和開路兩種故障的準確定位功能，由此驗證了該設計的可行性。