煤礦井下電纜接頭電弧故障監測系統設計與應用

陳 智 慧

（霍州煤電集團有限責任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣033200）

0 引 言

隨著我國現代化建設速度的加快，煤炭消耗量逐年增加。供電系統作為煤炭開采工作的必要條件，其工作的安全穩定直接關系著煤炭開采的產能和效率，必須引起高度重視[1]。電纜作為煤礦井下供電系統中的組成部分，是供電系統可靠運行的前提，也是保證作業人員安全的基礎。電纜運行過程中經常出現的故障包括漏電故障和電弧故障兩種，從危害程度方面看，電弧故障對于井下作業的安全威脅較大，嚴重的直接導致井下出現火災甚至瓦斯爆炸事故[2-4]。現場工作過程中發現，電纜電弧故障多發生在電纜接頭位置，原因是接頭外絕緣破損或者絕緣層被電流擊穿[5-6]。因此設計井下電纜接頭電弧故障監測系統，對于提高煤礦井下供電系統工作的安全性和穩定性具有重要的意義。

1 監控系統功能要求

電纜接頭故障監控系統設計參照GB14287-2014國標開展，要求具備電流監測功能、電壓監測功能、溫度監測功能和電弧故障預警功能。電流監測主要通過觀察電纜接頭電流的實時監測數據推斷電纜接頭的運行狀況；電壓監測功能的作用是通過電壓值的變化確定電纜接頭是否出現電弧故障；電纜接頭溫度監測的作用是實時監測電纜接頭的溫度變化；電弧故障預警主要實現電纜接頭出現電弧故障之前的預警，以便相關人員提前采取有效的防范措施，避免電弧故障的發生，保證電纜系統的正常工作。

2 電纜接頭電弧故障監測系統設計

2.1 系統方案設計

煤礦井下電纜系統運行過程中一旦出現電弧故障，電路中的電流、電壓就會出現異常波動現象，通常情況下電弧故障出現時，電纜接頭局部將會出現溫度的顯著提高，基于此完成了煤礦井下電纜接頭電弧故障監控系統總體方案，如圖1 所示。該系統主要由電壓電流監測模塊、溫度監測模塊、故障預警模塊組成，能夠實現電纜接頭位置電壓、電流和溫度的實時監測，為相關人員提供判斷電纜接頭是否出現電弧故障的依據。同時系統也能夠實現電纜接頭運行狀況的預警功能，當系統監測得到電纜接頭存在電弧故障隱患的時候就會及時發出故障預警信號，以便提醒操作人員提前進行排查檢修，避免出現電纜接頭電弧故障，影響煤礦井下作業的供電需求。

圖1 電纜接頭電弧故障監測系統方案

2.2 系統硬件設計

2.2.1 電壓電流監測模塊設計

電纜接頭位置電壓、電流監測的原理是霍爾效應，借助霍爾電壓、電流傳感器完成電纜正常工作時接頭局部電壓和電流的監測。選用的電流傳感器的具體參數如下：額定電流為0～200A、供電電源電壓為±15V、額定輸出電壓為5V、測量孔徑大小為Φ20mm、精度級別為I 級。選用的電壓傳感器型號為CHG-400VS，具體參數如下：額定電壓為AC400V、輸出電壓為AC5V、測量頻率為50Hz、測量精度為±0.5%。系統將電壓和電流的實時監測數值直接傳輸至上位機，在上位機中設置井下電纜接頭運行狀態顯示界面，操作人員可以由界面中觀察得到電纜接頭的運行狀態。

2.2.2 溫度監測模塊

電纜接頭監控系統中的溫度監測模塊如圖2 所示，主要包含了傳感器、信號傳輸、波長調節和數據處理等模塊。傳感器模塊中的傳感元件采用的是光纖光柵傳感器，將其設置在電纜線芯外圍，范圍覆蓋整個電纜接頭，完成電纜接頭位置的溫度采集工作。選擇光纖光柵傳感器的型號為OP-T01-1，殼體為全封閉結構，抗干擾能力強，監測精度高；溫度信號的傳輸采用了光纖，其在信號傳輸過程中具有輸送速度快、抗干擾能力等突出優點，能夠將光纖光柵傳感器采集的電纜接頭溫度信號可靠的傳輸至地面監控室內部的光譜分析儀器中，進而完成信號的解析與讀取；波長解調模塊主要實現對光纖傳入的溫度光信號的解調處理，獲得對應的數字量信號。解調過程中主要靠光譜分析儀完成，是光信號轉化成電信號的關鍵裝置，便于后續上位機界面對于電纜接頭實時溫度數據的顯示。此處選擇了型號為SPECTROMAXx 的光譜分析儀，產于德國，具有技術先進、精度可靠、操作方便等優勢；數據處理模塊主要在監測系統的上位機中完成，其接受光譜分析儀解調得到的電信號，分析電纜接頭位置采集得到了的光譜波長的變化情況，依據對應的數據處理方法實現電信號轉換為電纜接頭運行溫度的目的，進而顯示在上位機的界面中，供相關人員進行溫度的監視和預測。

圖2 溫度監測模塊結構

2.2.3 故障預警模塊

煤礦井下電纜接頭電弧故障監測系統中故障預警模塊的功能主要依據電壓電流監測模塊和溫度監測模塊采集得到的接頭電壓、電流和溫度三者的實測值得以實現，通過分析以上監測實測值的歷史數據的變化趨勢，能夠自動完成對應參照未來變化趨勢的預測。結合筆者的工作經驗和查閱大量資料的基礎上得出電纜接頭位置的實時監測溫度變化與其流經的電流幅值和電壓幅值有關，由此可見，在設計電弧故障預警模塊時不能忽視電壓和電流變化對接頭位置實時溫度的影響。在監測系統電纜接頭溫度預警模塊設計過程中考慮了2 種不同的情況：第一是電纜接頭正常工作；另一種是電纜接頭出現電弧故障。接頭無異常情況下監測得到的溫度數值主要由流經接頭的電流決定，但在電纜接頭出現電弧故障的情況下，監測得到的溫度數值主要由電纜接頭兩端的電壓決定。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 電弧故障預警程序設計

煤礦井下電纜接頭電弧故障監測系統中主要的是電弧故障預警模塊，軟件設計環節重點介紹電纜接頭電弧故障預警模塊的程序編制，程序編制過程中采用了LabVIEW2016，完成了電弧預警模塊程序的設計，如圖3 所示。程序運行過程中能夠直接調用以往監測儲存的溫度數據，首先按照規定要求設定溫度閾值，當監測得到的溫度數值低于或者超過溫度設定閾值時就會自動發出聲光信號，進行報警。

2.3.2 監測系統主界面設計

根據煤礦井下電纜接頭電弧故障監測系統程序及監控需求，完成了監控系統主界面的設計，如圖4所示，當系統進入正常運行過程時，界面中會顯示煤礦井下電纜接頭位置的實時電壓數據波形、實時電流數據波形以及實時溫度數據波形。為了更好的方便系統監控人員對于相關數據的觀察與分析，界面中設置了電纜接頭位置檢測溫度的最大值、最小值和平均值，并且能夠記錄溫度最大值和最小值出現的時刻。系統監測界面具有很好的實用性和操作性，能夠滿足監控系統的需求。

圖3 電纜接頭電弧故障預警程序

圖4 程序監測主界面

3 應用效果評價

將設計完成的煤礦井下電纜接頭電弧故障監控系統應用于某煤礦企業井下供電系統當中以檢驗其設計效果。該系統連續工作的3 個月時間內，運行穩定可靠，應用期間出現高溫預警1 次，出現低溫預警1 次。高溫預警信號發出后相關人員進行了電纜接頭的檢測，確定接頭即將發生電弧故障及時進行了修復；低溫預警信號發出后相關人員進行了電纜接頭的檢測，確定線路中出現了斷路故障并及時進行了修復，避免了故障對于整個礦井供電系統的影響。據相關人員統計，該監控系統的應用使井下生產作業因接頭電弧故障修復導致的停產停工時間降低近35%，提高了企業煤炭開采的產能和效率，預計將會產生260 萬/a 的經濟效益，應用效果顯著。

4 結 論

煤礦井下電纜接頭的可靠工作對于井下供電系統至關重要。針對某煤礦井下電纜接頭經常出現電弧故障的問題，開展了煤礦井下電纜接頭電弧故障監測系統的設計工作。提出了監控系統具體的功能要求，基于此完成了監控系統總體方案的設計，包括電壓電流監測模塊、溫度監測模塊、故障預警模塊等，同時配套完成了監測系統軟件和主界面的設計，能夠滿足電纜接頭電弧故障的監測功能。應用結果表明，系統工作穩定可靠，降低了企業近35%的因電纜接頭電弧故障修復導致的停產停工時間，提高了企業煤炭開采的產能和效率，預計將會產生260 萬/a 的經濟效益。