煤礦電纜絕緣性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 偉

（西山煤電集團(tuán)鎮(zhèn)城底礦，山西古交 030200）

0 引言

電纜中的絕緣材料一般可以分為固體、液體和氣體3種類(lèi)型，其中，注射絕緣和擠出絕緣是固體絕緣材料常用的方法，被廣泛應(yīng)用在變壓器、大功率電機(jī)的電力傳輸中。當(dāng)電纜絕緣介質(zhì)出現(xiàn)損壞的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生局部放電、漏電等現(xiàn)象，威脅礦井安全生產(chǎn)。因此，對(duì)電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證電纜正常運(yùn)行的重要措施。在本文中，首先對(duì)電纜的絕緣故障進(jìn)行分析，研究當(dāng)前介質(zhì)損耗測(cè)量的通用方法，并選擇作為本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，以80C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路，實(shí)現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

1 特征量選取

電纜在使用一定年限之后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化，這被稱為“老化現(xiàn)象”，造成電纜老化的原因主要包括：熱老化、機(jī)械老化、電壓老化。當(dāng)電纜溫度升高時(shí)，絕緣介質(zhì)的性能不斷下將，內(nèi)部的氧化反應(yīng)加快，造成電纜的老化，這種現(xiàn)象也被成為“化學(xué)老化”；機(jī)械老化主要表現(xiàn)為電纜受到擠壓、強(qiáng)力拉伸之后出現(xiàn)裂縫，如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有處理，裂縫的空間將逐漸增大，最終可能導(dǎo)致絕緣放電現(xiàn)象；電壓老化體現(xiàn)為電子對(duì)絕緣介質(zhì)的損壞或者電纜內(nèi)部電流放熱產(chǎn)生的焦耳熱，分別可以用“電擊穿”和“熱擊穿”理論進(jìn)行解釋[1]。

1.1 溫度

電纜線芯溫度是判斷電纜絕緣狀態(tài)的重要參數(shù)，通過(guò)對(duì)電纜的線芯溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以判斷電纜是否處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，并可以根據(jù)“熱擊穿”的相關(guān)理論對(duì)電纜絕緣的老化過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。在實(shí)際的溫度檢測(cè)中，無(wú)法將傳感器放置于電纜線芯位置，因此，在測(cè)得電纜表面溫度和周?chē)沫h(huán)境溫度之后，需要通過(guò)電纜溫度場(chǎng)的進(jìn)行線芯溫度的推導(dǎo)[2-3]，計(jì)算公式如下：

式中：Ts為絕緣層表面溫度；Wd為絕緣層介質(zhì)損耗；k為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；r2為絕緣層外半徑；r1為絕緣層內(nèi)半徑；qs為絕緣層外表面?zhèn)鳠崴俾省?/p>

1.2 介質(zhì)損耗

電力電纜在進(jìn)行交流電的額傳輸時(shí)，電纜外層的絕緣物質(zhì)處于交變的電流磁場(chǎng)下，會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)損耗、極化損耗和局部放電損耗，并在絕緣層的內(nèi)部產(chǎn)生能量損耗[4]，影響電力電纜介質(zhì)損耗大小的主要因素包括：通電電流的頻率、電纜絕緣層的溫度以及電纜中是否存在其他雜質(zhì)[5]。

在考慮煤礦電纜介質(zhì)損耗因素時(shí)，電纜的電路模型及向量圖如圖1所示。電纜的絕緣介質(zhì)包括容性部分和阻性部分，可以用一組等效阻容電路表示，因此，流過(guò)電纜的包括流過(guò)電容的容性電流IC和流過(guò)電阻的阻性電流IR兩個(gè)組成部分，其中容性電流超前電纜電壓U的相角為90°，當(dāng)電路中流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓時(shí)，實(shí)際電纜中電流超前電壓的相角為π/2-δ，δ為介質(zhì)損耗角，tan δ為介質(zhì)損耗因數(shù)，由圖可知：

圖1 電路模型及向量圖

2 介質(zhì)損耗測(cè)量方法研究

2.1 諧振法測(cè)量原理

為了能夠準(zhǔn)確反映電力電纜的絕緣狀況，需要對(duì)電纜的介質(zhì)損耗角進(jìn)行實(shí)時(shí)巡回監(jiān)測(cè)，常用的方法包括高壓交流平衡電橋法、瓦特表法、諧振法[6]。其中，諧振法[7-8]是通過(guò)對(duì)電纜絕緣層的電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行諧波處理，得到基波電流信號(hào)和基波電壓信號(hào)的相位差，進(jìn)而推算介質(zhì)損耗角δ。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以得出：當(dāng)tan δ＜0.2%時(shí)，判定電纜絕緣狀態(tài)良好，工作正常；當(dāng)0.2%＜tan δ＜5%時(shí)，判定電纜絕緣狀態(tài)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)視；當(dāng)5%＜tan δ時(shí)，判定電纜絕緣異常，立即進(jìn)行檢修或者更換。

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量

通過(guò)電壓互感器TV和電流互感器TA分別測(cè)量電纜上的電壓和電纜絕緣層上的電流，利用相關(guān)電路提取電壓和電流的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的在線檢測(cè)。測(cè)量原理如圖2所示，TV和TA完成電氣參量的采集之后，通過(guò)移項(xiàng)裝置和平衡電路測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，此外還可以得到電纜的對(duì)地電容C的值。

圖2 tan δ測(cè)量電路

3 硬件電路設(shè)計(jì)

在對(duì)電纜絕緣檢測(cè)中的相關(guān)特征量進(jìn)行提取和分析之后，需要設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路對(duì)特征參量進(jìn)行循環(huán)采集與處理，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定電纜絕緣層的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，選擇AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該芯片是一個(gè)具有較高性能的8位高性能微處理器，自帶4 k字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器。以AT89C51單片機(jī)為核心的電纜故障檢測(cè)相關(guān)電路設(shè)計(jì)如下。

3.1 溫度在線監(jiān)測(cè)電路

溫度測(cè)量傳感器選擇為PT100傳感器，該傳感器是一種具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，內(nèi)部電阻隨溫度的變化而發(fā)生線型變化，通過(guò)測(cè)量電阻兩端電壓值即可得到環(huán)境溫度，具有測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

基于PT100的測(cè)溫電路原理圖如圖3所示，利用橋式電壓采樣電路提高電路采樣精度，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的值，可以將基準(zhǔn)電壓調(diào)整為2.5 V，即為“2”處的電壓，利用“2”處的電壓值作為基準(zhǔn)值，利用“1”處的相對(duì)電壓值作為測(cè)量結(jié)果，測(cè)量電壓經(jīng)過(guò)放大電路輸入到單片機(jī)的模擬量采集引腳，

圖3 PT100測(cè)溫電路

3.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，多處需要進(jìn)行模擬量的采集，利用ADC0809設(shè)計(jì)相關(guān)模擬量采集電路[9]，該芯片是一種具有8位分辨率的模擬量采集芯片，可以輸入8路的模擬量信號(hào)，并通過(guò)8個(gè)模擬開(kāi)關(guān)對(duì)輸入通道進(jìn)行選擇。在使用過(guò)程中，不需要對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)零操作，方便用戶的使用。

電路接線圖如圖4所示，IN0～I(xiàn)N7為模擬量輸入引腳，D0～D7為數(shù)字量輸出引腳，信號(hào)輸出受“OE”引腳控制，“START”引腳為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖輸入端，“CLOCK”引腳接時(shí)鐘信號(hào)輸入。當(dāng)模擬電壓的范圍是0～+5 V時(shí)，可以將參考正電壓選擇為+5 V，參考負(fù)電壓接地，此時(shí)輸入電壓的最小分度值為5 V/28=0.02 V。

圖4 ADC0809電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)中利用89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)采集于發(fā)送，軟件編譯平臺(tái)選擇為Keil 5軟件。軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先打開(kāi)看門(mén)狗，這樣做的目的是防止程序跑飛，當(dāng)程序執(zhí)行到某一循環(huán)不能跳出時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。之后進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集并利用公式（1）反演線芯溫度；在介質(zhì)損耗的測(cè)量中，利用電壓互感器和電流互感器測(cè)得電纜上的電壓和電纜絕緣層上的電流，根據(jù)公式（2）中電流的關(guān)系計(jì)算介質(zhì)損耗因數(shù)tan δ。當(dāng)5%＜tan δ時(shí)，判定電纜絕緣損壞，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖5 軟件流程

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)針對(duì)煤礦電纜在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)的老化、損壞等故障，設(shè)計(jì)絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先對(duì)表征電纜絕緣特性的特征餐量，如溫度、介質(zhì)損耗等參量進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了基于諧振法的介質(zhì)損耗測(cè)量原理?；谝陨咸卣鲄⒘康姆治?，設(shè)計(jì)以PT100為核心的溫度檢測(cè)電路和以ADC0809為核心的模擬量采集單元，可以實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)8位分別率的模擬信號(hào)在線檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需要編寫(xiě)軟件程序。