煤礦XLPE電纜介質損耗在線監測研究

袁 煒，劉淮霞

（淮南師范學院，安徽 淮南 232000）

0 引言

煤礦井下電纜著火是引起井下火災的一個重要原因。隨著電網結構的不斷調整和煤礦的合理規劃，電纜的使用逐年增加［1］。同時隨著XLPE 電纜使用時間的延長，電纜故障也常有發生，給煤礦帶來很大的損失。其中，水樹枝老化是XLPE 電纜絕緣老化并導致重大停電事故的最主要原因。為了保證電纜的可靠運行，避免事故的發生，對煤礦XLPE 電纜絕緣性能在線監測方法的研究尤為迫切［2］。

1 介質損耗的特征參量

介質損耗是絕緣材料的電介質在較高電壓電場作用下，因介質電導和介質極化的滯后效應，在絕緣材料內部引起的能量損耗。介質損耗易使絕緣材料溫度升高、老化，溫升嚴重時會導致絕緣材料的熱擊穿，進而失去絕緣性能。可見，介質損耗的大小是評價絕緣性能的一個重要指標。按其性質可分為以下三種基本形式：極化損耗、漏導損耗和局部放電損耗［3］，如圖1所示。

圖1 XLPE電纜絕緣等值向量圖

定義疊加于電纜主絕緣上的系統電壓與主絕緣的漏電流的夾角Φ 的余角δ的正切值為介質損耗因數tanδ。由于tanδ是反映絕緣介質損耗的特征參量，也是衡量設備絕緣性能的重要指標，而且它僅取決于絕緣材料的介質特性，而與絕緣材料的大小尺寸均無關，因此，測量絕緣材料整體的介質損耗角正切值tanδ可以很好地判斷設備整體潮濕、劣化變質狀況［4］。

2 影響tanδ在線檢測精度的主要因素

影響tanδ在線檢測精度的因素主要有測量系統外部的干擾和測量系統本身精度及固有誤差兩方面［5］。

外部干擾主要分為：（1）現場各種電磁的干擾；（2）系統頻率的波動；（3）環境因素的影響。

測量系統本身精度及固有誤差的影響：（1）電流傳感器和電磁式電壓互感器的固有角差；（2）檢測系統本身電子電路產生的噪聲干擾；（3）數據采集卡A/D轉換的量化誤差。

3 數字化tanδ 測量的總體方案及硬件電路

本文設計了礦用XLPE 電纜介質損耗在線監測的總體方案，原理如圖2所示。考慮到煤礦的惡劣環境，根據1Hz劣化特征信號測量的原理［6］，硬件電路主要由電源模塊、取樣電路、濾波模塊、A/D 轉換模塊、CPU 處理模塊、顯示模塊和鍵盤模塊等部分構成。由取樣電路得到的電壓模擬信號先經濾波后再由A/D 轉換器轉換為數字信號。CPU 讀取A/D 轉換器的數據進行運算，通過鍵盤選擇要顯示的內容。

圖2 XLPE電纜介質損耗在線監測方案

根據在線監測的要求，從經濟和技術上對電流、電壓傳感器進行了合理選擇［7］。電流信號來自電纜的屏蔽層接地線，使用單匝穿心無源式傳感器獲取。電壓信號取自電壓互感器（WB 系列無源交流隔離傳感器），經過傳感器隔離降壓獲得。設計了必要的保護電路，信號放大電路能進行高精度的程控放大。信號的放大由放大倍率可選的前置放大電路和程控衰減電路共同組成，設計了合理的放大倍率檔次間隔，使信號在滿足A/D 轉換的要求的同時，又滿足整個監測系統精度的需求。在不改變電力系統接線方式的前提下，實現對電纜絕緣的在線監測。這樣可避免與被測系統有直接的電氣聯系，保證測試裝置的電氣安全性。另外，在硬件方面設計放大濾波電路用來對信號進行放大濾波處理。對已有的硬件系統采用完善的屏蔽和接地措施能夠提高系統抗干擾性能。對采集到的數據進行處理，并采用基于準同步算法的諧波分析法來提高系統測量的精度、穩定性和抗干擾能力［8］。

4 軟件設計方法

基于直觀、簡捷的人機交互界面的考慮，選擇Microsoft Windows 9X/2000/XP 操作系統，采用SQL Server 2000 數據庫保存和管理在線監測數據，使用Visual Basic 面向對象程序設計語言編程，實現了對電流電壓信號的程控放大、控制數據采樣和存儲［9］。軟件系統總體構架如圖3所示。

圖3 軟件系統總體框圖

軟件系統的設計主要分為系統設置、數據采集、數據處理和遠程通訊四個部分，并采用ODBC接口使每部分與數據庫之間進行數據傳輸。在線監測系統中各系統參數和設備參數的設置主要由系統配置部分完成，保證系統的可擴充性。待監測模擬信號的程控放大，現場通道控制，以及A/D轉換主要由數據采集部分完成。對采集到的原始數據進行分析、計算、保存和顯示結果主要由數據處理部分完成。數據的遠程傳送和系統的遠程控制主要通過遠程通信完成［10］。在線監測主程序流程圖如圖4所示。

圖4 在線監測主程序流程圖

5 測試結果及總結

測試電路中通過電壓調節器模擬現場電壓互感器的輸出電壓信號，可變電容電阻改變電流大小模擬介質損耗的變化。選用電壓采集器、電流采集器各兩個，較新電纜測試地址分別為A，B；較舊電纜測試地址為C，D。表1為新舊程度不同的兩組模擬XLPE電纜測試數據，驗證了XLPE電纜絕緣的實時在線監測有效可行。

表1 新舊模擬XLPE電纜測試數據