高壓電纜絕緣狀態在線監測及診斷系統的設計

陳國龍

（晉能控股煤業集團燕子山礦，山西 大同 037034）

在煤礦生產中，煤礦供電網絡是確保生產正常的基本條件，由于礦井下部存在較大的粉塵，且環境潮濕，電纜外部所具有的絕緣性逐漸降低，形成了一種絕緣缺陷，導致了電流擊穿，最終導致供電網絡出現大區域內斷電。目前，國內煤礦尚不具備有效的監測手段來監測礦井下電纜，日常維護也少，對發生絕緣老化、破損的電纜無法及時更換，最終導致斷電事故的產生。因此，對礦井下電纜設備的絕緣狀態進行研究，設計出一種有效的監測系統及方法，當電纜的絕緣性能持續降低到某種程度時，可以及時發出預警信號，對礦井生產的安全性有著十分重要的意義。本文通過對電纜的局部放電機制進行分析，明確局部放電信號的檢測及去噪技術，并提出了一種實時在線監測系統，解決了煤礦高壓電纜的絕緣監測及診斷問題。

1 電纜局部放電及檢測

1.1 電纜局部放電機理

目前煤礦所運用的電纜大部分都是交聯聚乙烯電纜，在使用的過程中電纜極易受到外界因素的影響而出現絕緣老化，在逐漸老化的過程中可以劃分為局部放電、電樹枝兩種老化和絕緣擊穿。在剛剛老化的過程中，局部放電量可以達到0.1pc，當出現絕緣擊穿的時候，放電量可以達到1000pc，因此，通過采集局部放電信號，可以較好地判斷出電纜發生老化的程度。

在加工與應用電纜的過程中，其所運用到的材料會發生絕緣缺陷，例如毛刺等，而在發生缺陷的部位極易出現局部放電。此外，氣隙也是最常見的一種缺陷，當電纜傳輸高壓電的時候，氣隙部位會形成極大的電場強度，而與絕緣層相比，氣隙部位要具備更強的擊穿強度，因此，氣隙部位會形成局部放電。

1.2 局部信號檢測

局部放電過程會伴隨著物理及化學類變化而不斷變化，通過對這些信號進行有效的監測，可以推測出局部放電量。目前，對局部放電量進行檢測的方法主要包含以下幾種：差分法、電感電容耦合法等。

差分法的作用機理詳見圖1，將鉑電極配置在電纜金屬護套的兩側，以此來形成一個橋式電路，形成一個脈沖耦合裝置，運用阻抗Z 來對局部脈沖信號進行測量，以此來判斷出局部放電量。通過運用這種方法可以確保外界干擾得到最大限度地降低，避免因井下噪聲沖擊所造成的數據波動。利用接線盒將電纜進行連接時，可以采取電磁偶合法，不需要與高壓電纜相接觸，通過運用接地線可以取得局部放電信號，但是由于接地線十分容易受到外界因素的影響，因此，采集電路應當具備較強的抗干擾和去噪能力。

圖1 差分法檢測局部脈沖

2 信號去噪研究

由于煤礦下的地質條件過于復雜，為了確保數據的準確度，必須一定的去噪技術對采集信號實施處理。礦井電纜的局部放電信號基本都是被電磁噪聲所干擾，其中包含了兩種噪聲，分別為白和窄帶，運用小波分析可以將這些干擾進行清除。

小波閾值去噪的操作十分簡單，且計量量相對較小，可以應用于數據需要實時處理的系統。去噪過程包含了三個環節：①小波分解，可以將最初采集到的信號進行此類分解，得到了各個層級的小波系數；②閾值作用，選擇閾值確定法，將每一個層級的小波系數閾值進行明確，并利用該數值來清除信號之中的噪聲信號；③小波重建，對系統之中的小波系數進行相應的處理，依據小波系數來對采集信號進行處理，最終得到噪聲清除之后的信號。閾值確定法中最常見的方法為長對數、似然估計等，本文所運用的為極小化極大方差閾值法，公式為：

式中：σ——噪聲標準差估計；

N——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

本文所設計的煤礦高壓電纜絕緣在線監測系統的構造詳見圖2，該系統主要有五部分，一為電流傳感器、二為信號調理電路、三為數據采集單元、四為光纖傳輸單元、五為上位機。電流傳感器的安裝部位處于電纜接地線的外部，其作用在于對局部脈沖信號進行測量；數據采集單元配置在被測電纜的周圍；信號調理電路安裝在采集板塊的內部前置環節，其作用在于對信號的濾波及放大等實施預處理，處理器單元的功能是對信號實施數字化處理及去噪。光纖傳輸板塊包含了兩個部分，分別為光電轉化與光纖傳輸線，其中轉化與采集模塊相互連接，將電信號轉化成為光信號，利用光纖線可以將信號傳輸到信息傳輸板塊。信息傳輸板塊的安裝部位在煤巷監控站內，其作用在于接收光纖信號，同時可以利用串口通信將數據信息及時傳輸到地面上位機，實現數據的進一步分析，通過電纜的局部放電信號來計算出電纜絕緣層的老化狀態，如果老化程度超出了標準值，系統將會發出警報信號，此時操作人員需要及時更換老化電纜。

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

根據各個模塊具有的功能可將監測系統劃分為采集與傳輸兩個模塊，其中采集模塊包括了A/D 轉換單元、電流傳感器等多個單元。

電流傳感器的功能在于對局部脈沖信號進行檢測，為了確保測量的精確度，系統采取高頻脈沖電流傳感器。傳感器使用環形磁性材料，當高頻脈沖經過線圈之時，電流傳感器將會形成一種電壓，進而得到一種電流波形，用來對信號進行處理及分析。采取電流傳感器對脈沖信號進行檢測，可避免侵入高壓電纜，且線性度較高，使用和安裝便捷，可以滿足脈沖信號的測量需求[1]。

局部脈沖信號具有較寬的頻率范圍、較小的幅值，對數據的分析及去噪有著極大的影響，因此，當電流傳感器收集到脈沖信號之后，需要開展有效的前置處理，確保采集信號具有的電壓與數據轉換單元的輸入電壓相滿足，同時對信號實施處理。脈沖信號具有的電壓處于mV 級別，脈沖頻率處于10kHz 上下，本文在對脈沖信號實施調理之時所運用的芯片為AD811芯片。

A/D 轉換模塊的構成芯片為AD8138 芯片，將信號調理電路輸出的模擬信號作為一種差分輸入信號，確保轉換過程中可以免受外界因素干擾。采集單元的處理器則選擇了 FPGA 芯片，其型號為EP1C12240C8，其功能主要是承擔了參數配置、數據儲存和邏輯控制等。

采集模塊中最小系統有著較高的處理速度，但是內存相對較小，當采集數據較多、通信模塊發生故障無 法完成數據的傳輸時，系統內存將會迅速被占滿，采集模塊將會停機，而且采集數據將會寫入到RAM 區域，極大降低了系統運算的速度、減少了內存的使用壽命，為了有效處理上述問題，需要在最小系統的外部擴展儲存模塊，用來數據的采集及儲存，系統芯片為IS6ILV，容量為512 k x 16 位，可以實現數據的儲存需求。

3.3 光纖傳輸模塊

由于礦井下條件較為復雜，外部存在嚴重的干擾及噪聲，為了確保信號傳輸過程中不會失真，本系統利用光纖來傳輸數據。光纖傳輸可以保證各個單元之間的電氣隔離，在進行長距離傳輸工作的過程中，信號衰減程度較小，傳輸速率較快，完成了遠程實時監測。系統采用單模光纖傳輸線，光電轉換模塊則采用了SFP模塊，傳輸距離的最大值為15km，傳輸的速率為2.5G/s，實現了信號傳輸的需求。

4 試驗結果

在系統正式運用到現場之前，需要進行一系列的調試，對系統的實際效果進行分析。調試實驗需要設置50組樣本，選擇使用狀態處于正常的電纜，利用錘擊的方式對電纜的絕緣性能進行破壞，監測系統可以對不同錘擊次數形成的局部放電信號進行精確測量，結果見表1。

表1 系統試驗結果表（單位：pc）

根據上述結果可知，隨著錘擊次數的不斷增加，電纜絕緣層的受損情況也越來越嚴重，局部信號的放電量持續增加，證明監測系統可以實時監測電纜的絕緣狀態。

5 結語

本文對電纜的老化狀態進行分析，選擇局部放電脈沖信號作為一個標準來評估電纜的絕緣老化狀態，并設計了一個遠程在線監測系統，利用小波閾值去噪法來處理脈沖信號，有助于更加精確的采集信號，通過實施監測系統所取得的數據，可以將電纜的老化程度進行真實的反映，確保井下穩定的供電。