煤礦高壓電纜絕緣在線監測與診斷系統設計*

董 明

(山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 046000)

0 引 言

煤礦供電網絡是井下正常生產的最基本條件，由于井下潮濕環境及粉塵等因素的影響，電纜外部絕緣強度逐漸降低，出現絕緣缺陷，導致電流擊穿，造成供電網絡大范圍斷電。目前國內煤礦對井下電纜缺乏有效的監測手段，平時對電纜的維護也較少，對發生絕緣老化及破損的電纜不能做到及時更換與檢修，導致斷電事故時有發生。因此，研究井下電纜設備的絕緣狀態，設計一種監測方法與系統，在電纜絕緣性能降低到一定程度時，能夠及時的發出預警信息，對礦井安全生產有著重要的意義。筆者通過對電纜局部放電機理進行分析，確定局部放電信號的檢測方法與去噪技術，并提出一種在線監測系統，解決煤礦高壓電纜絕緣狀態的遠程監測與診斷問題。

1 電纜局部放電及檢測

1.1 電纜局部放電機理

目前煤礦所使用的電纜大多為交聯聚乙烯電纜(XLPE)，電纜在使用過程中受到電場、熱、機械等應力作用下逐漸發生絕緣老化，老化過程可以分為三個階段局部放電老化、電樹枝老化與絕緣擊穿。在老化初期局部放電量為0.1pC，當發生絕緣擊穿時，放電量達到1 000pC，因此，通過局部放電信號可較好的反映出電纜的老化程度。

在制作與使用中，電纜復合材料會出現絕緣缺陷，如氣隙與毛刺等，而在缺陷處極易發生局部放電。氣隙為電纜絕緣層最常見缺陷，當電纜傳輸高壓電時，氣隙處的電場強度會非常大，而氣隙處擊穿強度要遠低于正常的絕緣層，所以氣隙處會發生局部放電。

1.2 局部信號檢測

局部放電過程會伴隨著許多物理變化與化學變化，如光、聲音、熱量、電流、電磁輻射等，通過監測這些信號的變化，可以推導得到局部放電量。目前，局部放電量的檢測方法主要包括：電感與電容耦合法、差分法、方向耦合法、超高頻法與電磁耦合法等。

差分法的檢測原理如圖1所示，在電纜金屬護套的兩端安裝鉑電極，搭建橋式電路，形成一個脈沖耦合裝置，利用阻抗Z測量得到局部脈沖信號，判斷該電纜局部放電量。差分法可有效降低外界環境干擾，避免井下噪聲沖擊帶來的數據波動。電纜之間采用接線盒連接時，可利用電磁耦合法，不需要接觸高壓電纜，通過電纜接地線獲取局部放電信號，但由于接地線的干擾因素較多，所以采集電路應具有較好的去噪和抗干擾能力。

圖1 差分法檢測局部脈沖

2 信號去噪研究

由于井下環境復雜，為保證采集數據精確度，需要對采集信號進行去噪處理。礦井電纜局部放電信號受到的干擾主要來源于電磁噪聲，包括白噪聲與窄帶噪聲，利用小波分析可較好的去除這兩種噪聲干擾。

小波閾值去噪實現簡單，計算量小，非常適合需要實時處理數據的系統。去噪過程主要分為三步：①小波分解，將初始采集信號進行小波分解，得到各層小波系數；②閾值作用，選取閾值確定法，確定對各層小波系數的閾值，通過閾值去除信號中的噪聲信號；③小波重建，對小波系數進行處理，根據小波系數重建采集信號得到去除噪聲后的信號。常見的閾值確定方法包括長對數閾值法、似然估計閾值法與極小化極大方差閾值法等，筆者選用極小化極大方差閾值法，閾值確定公式如下：

(1)

式中：σ為噪聲標準差估計；N為小波系數的個數。

3 在線監測系統設計

3.1 監測系統整體設計

文中設計的煤礦高壓電纜絕緣在線監測系統的結構如圖2所示，系統包括電流傳感器、信號調理電路、數據采集模塊、光纖傳輸模塊與上位機。電流傳感器安裝于電纜接地線外部，用于測量局部脈沖信號，數據采集模塊安裝于被測電纜周圍，其中信號調理電路為采集模塊的內部前置環節，用于信號的濾波與放大等預處理，處理器單元負責信號的數字化處理、去噪。光纖傳輸模塊包括光電轉化模塊與光纖傳輸線，其中轉化模塊與采集模塊連接，將電信號轉換為光信號，通過光纖線將信號傳輸到信息傳輸模塊。信息傳輸模塊安裝于巷道監控站，用于接收光纖信號，同時通過串口通信將數據傳輸到地面上位機，進行進一步數據分析，通過電纜局部放電信號，推算出電纜絕緣層的老化狀態，當老化程度高出設定閾值時，系統將進行報警，工作人員應及時更換老化電纜。

圖2 電纜絕緣在線監測系統結構示意圖

3.2 采集模塊設計

按各模塊功能可將監測系統分為采集模塊與傳輸模塊，其中采集模塊包括電流傳感器、A/D轉換模塊、信號調理電路、處理器單元、數據存儲模塊等。

電流傳感器用于檢測局部脈沖信號，為了保證測量精度，系統選用高頻脈沖電流傳感器。傳感器采用環形磁性材料，當高頻脈沖通過線圈時，電流傳感器會產生電壓，從而得到電流波形，用于信號處理與分析。采用電流傳感器檢測脈沖信號具有不侵入高壓電纜，線性度高，使用安裝方便的優點，滿足脈沖信號的測量需求。

局部脈沖信號的頻率范圍較寬，幅值較小，不利于數據的分析與去噪，因此當電流傳感器采集到脈沖信號后，應當利用信號調理電路做前置處理，保證采集信號的電壓與數據轉換模塊的輸入電壓相匹配，同時對信號進行濾波與放大處理。脈沖信號的電壓在mV級別，脈沖頻率10 kHz左右，本文采用AD811芯片對脈沖信號進行調理，具體電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路設計

A/D轉換模塊由AD8138芯片組成，將信號調理電路輸出的模擬信號作為差分輸入信號，提高轉換過程的抗干擾能力。采集模塊選用FPGA芯片作為處理器，芯片型號為EP1C12240C8，負責邏輯控制、參數配置與數據緩存等。

采集模塊的最小系統的處理速率較高，但是內存較小，當采集數據多、通訊模塊出現故障無法傳輸數據時，系統內存將很快占滿，采集模塊將停止工作，而且采集數據寫入RAM區，會降低系統運算速度，減少內存使用壽命。為了解決上述問題，應在最小系統外部擴展存儲模塊，用于存放采集數據，系統選用IS6ILV芯片，容量選擇512 k×16位，滿足數據存放需求。

3.3 光纖傳輸模塊

由于井下環境復雜，外界干擾與噪聲較多，為了保證信號在傳輸過程不會失真，本系統采用光纖實現數據傳輸。光纖傳輸保證各單元之間電氣隔離，在長距離傳輸時，信號衰減程度小，信號傳輸速率快，實現遠程在線實時監測功能。系統選用單模光纖傳輸線，光電轉換模塊選用SFP模塊，最大傳輸距離15 km，傳輸速率可達2.5 G/s，滿足系統信號傳輸需求。

4 試驗結果

系統在應用于現場設備之前，應當經過一系列的調試試驗，分析系統的應用效果。調試試驗設置有50組樣本，選取正常狀態的電纜，通過錘擊的方式破壞電纜絕緣性能，監測系統對不同錘擊次數的局部放電信號進行測量，得到的結果如表1所列。

表1 系統試驗結果 /pc

由試驗結果可知，隨著錘擊次數的增加，電纜絕緣層的破壞越嚴重，局部信號的放電量逐漸升高，證明監測系統可有效的對電纜絕緣狀態進行監測。

5 結 語

分析了煤礦高壓電纜老化過程，選取局部放電脈沖信號作為電纜絕緣老化狀態的評估標準，并設計了一種遠程在線監測系統，通過小波閾值去噪法對脈沖信號進行去噪處理，提高了采集信號的精確度，通過監測系統得到的數據，可較為真實的反映出電纜老化程度，保障井下供電網絡的安全性。