礦用電纜故障診斷系統的設計

程志明

（西山煤電西銘礦，山西太原 030052）

0 引言

煤礦高壓線纜在運行過程中，容易受到熱力、擠壓、拖拽等外界環境的影響，使線纜出現不同種類的故障。在礦井線路的檢修方法中，一般選擇定期檢修。在礦井工作強度較低的時間段內，停止所有電氣設備的供電，進行隱患排查，并替換掉出現故障的線路。這種方法的缺點是實時性差，影響煤礦的正常生產。因此，有必要研究一套電纜故障診斷系統，通過對井下電纜的狀態進行實時監控，判斷是否出現故障，及時排除故障以保證煤礦生產的正常進行。本文設計的電纜故障診斷系統以stm32為核心，通過對井下故障的特征進行分析，確定故障判斷的監測要素，設計硬件電路和軟件實現方法，實現電纜故障的在線診斷。

1 礦用電纜結構分析

礦用電壓等級越高，則電纜的輸電效率越高，可以向井下設備輸送更多的功率。根據煤礦電力建設的經驗可以得知，不同等級的電壓用于不同的電氣設備，電壓等級不同，電纜傳輸功率也不同，詳情如表1所示[1-2]。

以礦用采煤機MCP電纜為例，其電纜結構如圖1所示。導芯的制作材料一般選擇銅或鋁，并在外圍增加絕緣層，保證線纜中各相電能傳輸的獨立性。屏蔽層的作用是減少外界對電能傳輸的干擾；絕緣包帶采用阻燃材料，制作標準按照MT818—1999《煤礦用阻燃電纜》執行；填充層位于內部線纜和絕緣包帶之間，可以增加電纜的結構強度，保持電纜的形狀。

表1 井下常見電壓等級對應用途及功率

圖1 MCP電纜結構示意圖

2 監測特征量確定

2.1 常用故障原因分析

煤礦井下條件復雜，電纜在運行過程中，經常會受到各種擠壓、拖拽等影響，造成絕緣損壞，影響電氣設備的正常運行，給煤礦的生產安全帶來巨大威脅。電纜故障發生的原因主要包括：（1）線路過負荷；（2）電纜受潮；（3）絕緣外皮的損壞[3-6]。

在以上一種因素或多種因素的作用下，將會引發煤礦電纜故障。按照故障時電纜絕緣電阻的大小，可以將故障類型分為短路故障、斷線故障、混合故障、高阻故障4種類型。

2.2 監測特征量提取

為實現對不同電纜故障的在線監測，需要根據每種故障類型的特征，提取特征向量，通過對特征量的在線監測，對電纜故障進行判定。常用于反應電纜故障的特征量包括溫度、接地線電流、絕緣電阻。

2.2.1 絕緣電阻測量

電纜的絕緣電阻是表征電纜表面絕緣水平的重要參量，通過測量絕緣電阻的數值，可以對電纜外皮的絕緣情況進行診斷。測量電纜絕緣電阻常用的方法是直流疊加法，這種方法具有操作簡單、易于實現的特點，可以用于運行中電纜的絕緣電阻檢測。

通過在電纜中增加直流回路，向電纜中注入直流分量，通常直流電源的引入位置選擇為接地電壓互感器中性點附近。直流電壓的取值為50 V[7-8]，接線方式如圖2所示。

圖2 直流疊加法原理

2.2.2 接地線電流測量

在三線制的高壓電纜供電系統中，有1根線纜是接地的。查閱相關文獻[9]可以得知，當電纜的絕緣層出現老化或者損壞時，介質損耗角正切值變大，接地電流通過的阻抗中，電容成分變多，接地電流中出現明顯的增量。因此，通過對接地線纜中接地電流的數值進行測量，也可以對電纜的絕緣水平進行評估，根據不同工況下，接地電流大小判斷電纜故障的方法如表2所示。由表2可知，當接地線電流大于1 mA時，需要發出警報，提示工作人員進行線路的檢修。

表2 故障類型判別

3 硬件電路設計

3.1 系統總體結構

為實現對電纜故障的在線監測，本系統以stm32單片機為核心，設計相關硬件電路，實現對特征參量的檢測與遠程數據傳輸，系統總體結構如圖3所示。在接地線電流檢測中，由于電流信號微弱，設計放大電路，將微弱的電流信號處理成單片機可以識別的電壓信號；在絕緣電阻的測量中，當線路中注入直流電壓之后，通過線路中泄漏電流的大小判斷絕緣電阻的阻值。為了得到更為精準的絕緣電阻阻值，設計濾波電路，濾除線路中的交流信號。

圖3 系統總體結構圖

3.2 主控芯片選型

主控芯片選型為stm32f103c系列芯片，該芯片是32位的ARM結構微處理器，供電電壓可以選擇2.0～3.3 V的電壓，內部具有8 Mhz的高精度RC振蕩器，可以根據工作模式的需要，選擇睡眠、停機、待機3種模式，2個12位的模數轉換器，滿足本系統的模擬量采集需要。

3.3 濾波電路

由圖2可知，當對電纜上的絕緣電阻進行測量時，電纜上不僅有直流電壓信號，也會有交流電壓信號，進而會影響對絕緣電阻阻值的測量。為了保證絕緣電阻檢測的準確性，設計相關濾波電路，如圖4所示。其中，圖4（a）為雙T濾波電路，可以實現對低頻交流信號的濾除，主要針對工頻（50 Hz）交流信號；圖4（b）為串聯L型低通濾波電路，可以阻隔線路中高頻信號的通過，特別是各種高次諧波。

3.4 接地線電流測量電路

接地線電流是微安或者毫安級別的電流信號，不容易被單片機識別采集，需要通過放大電路進行信號處理。本系統選擇OP1177系列的放大器設計電流信號放大電路，該芯片具有高精度、低噪聲的工作特性，同時，對環境溫度相對不敏感，在高溫工作環境下仍能保持穩定的工作性能。

圖4 濾波電路圖

以OP1177為核心設計的電流放大電路如圖5所示。由于OP1177為高精度精密器件，pcb焊接完成后，需要在其表面涂1層鍍層，防止表面潮濕對器件正常工作的影響。pcb上的熱源應該與放大電路保持一定的距離，信號的走線與電源線的距離保持在6 mm以上，并確保引腳長度相同，使其散熱均衡。

圖5 OP1177放大電路

4 系統軟件設計

stm32單片機的軟件編程主要通過Keil 5軟件平臺進行編譯，通過模塊化的軟件設計，可以方便設計者進行軟件調試。

主程序流程圖如圖6所示。程序開始后，首先進行絕緣電阻阻值的測量，打開40 V直流電源，測量濾波后的電纜絕緣電阻，并進行判斷。當阻值小于額定值R0時，判定線纜故障，發出報警信號；當絕緣電阻大于額定值R0時，判定線纜處于正常工作狀態；在接地線電流采集完成后，根據電流值的大小發出“正?！?、“關注”、“警報”信號。

圖6 軟件流程圖

5 結束語

煤礦井下復雜，用于設備供電的電纜會因為拖拽、潮濕等因素造成各種故障。通過對常見故障的原因進行分析，得出絕緣電阻測量和接地線電流測量對于電纜故障判定的方法，以stm32為核心設計相關電纜故障檢測硬件系統，主要介紹濾波電路和接地線電流測量電路，通過對檢測參量的判別實現故障預測。