高壓電纜絕緣在線監測與診斷系統研究*

劉亞偉

(山煤國際能源集團股份有限公司煤業分公司，山西 太原 030006)

0 引 言

近年來，煤炭需求量不斷增加，煤礦開采向著更深的方向發展[1]。煤礦供電系統是保證煤礦安全開采的關鍵組成部分，煤礦巷道布置有四通八達的電纜，承擔著在煤礦井下的電力輸送任務。由于煤礦井下空氣中存在腐蝕性氣體和有毒有害氣體，時常會遇到水的浸泡、冒頂和人工拖動等情況，電纜的絕緣性能會受到嚴重影響，甚至有可能引發電纜的短路，從而造成煤礦事故[2]。

對高壓電纜進行絕緣性能檢測是為了及時發現電纜及附件的老化損害情況，判斷及預測高壓電纜的使用壽命，電纜絕緣檢測和故障診斷對于保證供電系統的可靠性具有重要的研究意義和價值。

目前，國內煤礦電纜絕緣檢測主要是停電檢修，采用的方式是對已經存在故障的電纜進行及時更換，存在工人勞動強度大、更換效率低、電纜檢測成本高等問題，對出現問題的電纜進行絕緣性能檢測，使用的檢測設備比較落后，多次檢修導致資源和人力的浪費[3]。國內在煤礦電纜方面的檢測技術不成熟，容易受到外部磁場的干擾，測量的誤差較大，參考價值不大[4]。

國內現有的高壓電纜絕緣性能檢測主要有兩種方式：破壞性檢測和非破壞性檢測。破壞性檢測需要將電纜的某一段提取出來對存在缺陷的部位進行高壓擊穿，從而檢測電纜的絕緣性能，檢測后的電纜無法再次投入使用。非破壞性檢測，就是在電纜正常工作的情況下，通過使用外部的電纜絕緣性能檢測設備對電纜進行檢測，不會影響電路系統的供電。目前，非破壞性的電纜檢測設備主要有：帶電電纜識別儀、可以檢測電纜中電流的方向和電壓幅值、電纜的阻值等，荷蘭利用PD檢測法并設計了高頻PD新型檢測儀進行電纜檢測。

現有的非破壞性檢測方案是通過將電流采集環套入待測電纜進行檢測，但是在煤礦井下高壓電纜自重比較大，有些電纜布置在墻面上沒有預留足夠大的穿線空間，導致傳統的高壓電纜絕緣檢測方法受限，應用范圍較小。

筆者通過對煤礦高壓電纜常見故障和類型進行分析，設計了煤礦高壓電纜絕緣在線監測和診斷系統方案，快速獲取高壓電纜的運行狀態，避免盲目檢修，降低了實際工人檢測的成本和時間，減少事故的發生率，保證煤礦高壓電纜的安全運行和煤礦供電系統的可靠性。

1 高壓電纜絕緣在線檢測系統總體方案設計

1.1 煤礦電纜基本結構與故障分析

煤礦井下，從中央變電所到各個移動變電站的距離由有的是0.5 km，有的是10 km，距離比較長，同時在巷道中布置有大量的電纜[5]。煤礦高壓電纜需要輸送的電壓一般都是上千伏，與平日里家用漆包電線不同，圖1所示為煤礦高壓電纜結構。

圖1 煤礦用電纜結構圖

高壓電纜的主要用途用于輸送額定電壓為6/10 kV的高壓電。圖1可看出，煤礦井下電纜結構比較復雜，內外包括很多層，受到煤礦井下空氣中腐蝕性氣體和惡劣工況的影響，煤礦高壓電纜常見問題主要有以下幾類。

(1) 機械損傷 煤礦電纜鋪設過程電纜拉扯踩踏等，電纜表面的絕緣層會受到損傷，頂部掉落的煤塊或相關運輸設備在電纜上方移動等對電纜造成擠壓，表面會產生一定的損傷。

(2) 絕緣層老化變質 電纜長期在高壓作用下工作，受到伴隨著高壓作用帶來的機械作用和化學作用，某些腐蝕性氣體與表面絕緣層材料反應，導致絕緣層老化變質，導致電纜的絕緣性能降低。

(3) 過熱 電纜主要作用是用于輸送電力，煤礦機電設備基本上都是大功率設備，當功率較大時會引起電纜發熱。電纜內部氣隙出現不均勻分布，導致在某個局部位置過熱，或者通風不良等原因，導致電纜自身電阻過大產生發熱。

電纜出現故障會出現溫度升高、電纜絕緣電阻值變化和泄漏電流值突變等，表1所列為煤礦高壓電纜絕緣性能檢測參數和指標。

表1 煤礦高壓電纜絕緣性能檢測參數與指標

1.2 在線監測系統總體方案設計

煤礦高壓電纜絕緣在線監測系統不僅需要滿足對高壓電纜的基本監測和診斷功能，同時需要滿足煤礦井下環境要求等，具體功能要求如下。

(1) 診斷系統能夠準確、實時、在線監控電纜的各種狀態參數變化，能夠顯示電纜接線盒的各種狀態參數變化并迅速做出反應。

(2) 具有良好的可視化性能，直觀清晰展示電纜的運行狀態，通過采用直觀的圖表或曲線展示電纜內部電流或電壓等參數的變化。

(3) 具有分析功能，系統對電纜運行故障進行綜合評判，對電纜進行智能化診斷和分析。根據以上要求，總體方案設計如圖2所示。

圖2 總體方案

煤礦高壓電纜絕緣在線監測與故障診斷系統主要由數據采集模塊、網絡通訊模塊、數據處理分析模塊、上位機顯示模塊組成。通過電壓互感器、電流互感器、溫度傳感器采集電纜運行狀態，并通過數據采集與分析處理模塊對采集到的物理信號轉變為電信號，在線檢測模塊通過RS-485總線聯系，最后通過以太網與上位機監控系統界面聯系，實現對遠程在線監控。相比于現有的高壓電纜絕緣檢測方法而言，采用本套方案可以實現對高壓電纜在線檢測，建立了井下檢測與地面監控網絡，檢測結果可信度更高，信號質量更加穩定。

2 高壓電纜絕緣在線檢測系統硬件設計

2.1 傳感器設計與選型

(1) 微電流傳感器

由于目前現有電流傳感器對于電流檢測精度不高，只能測量毫安的電流波動，為了實現高精度、高靈敏度檢測，應用微電流傳感器，測量微弱的交流信號，可提高實際監控系統的檢測范圍。根據微電流傳感器上下限頻率的計算公式：

上限截止頻率為：

(1)

下限截止頻率為：

(2)

式中：Rin為輸入電阻值，Ω；Cs為電容值，F；Ls為電感值，H。從上述公式中可以看出，通過調節Rf可以實現對輸出電壓的調節，在微電流計中的輸入阻抗非常小，傳感器的最低頻率比較低，通過將小電阻與電容進行并聯，使得電容的旁路作用降低，特性得到擴展。

(2) 電壓傳感器

選用三相三線制交流電壓采集測量智能型隔離變送器，對三相電壓進行兩表法測量，采用高精度24位專用AD芯片，動態范圍比高達1 000:1。

(3) 溫度傳感器

選用Pt100溫度傳感器，采用全隔離設計，輸入、輸出和電源之間進行隔離，消除了信號之間干擾。Pt100阻值與外界溫度的變化函數如下所示：

R(T)=100[1+3.908 02×10-3×T-

0.580 2×10-6×T2]

(3)

實際的溫度工作范圍為-200～650 ℃，測量的范圍較寬。運用Pt100溫度傳感器和XT105電路實現對溫度的測量和轉換。圖3為電纜溫度信號采集電路。

圖3 電纜溫度信號采集電路

2.2 主電路系統設計

在線監測系統的主電路主要實現對電纜的電壓、電流和溫度的檢測，選取電纜絕緣電阻和線芯的溫度作為最終狀態的檢測量，絕緣電阻最終能夠反映電纜絕緣狀態的綜合特性，其電控系統構建如圖4所示。

圖4 主控電路系統的設計

電控系統可實現對三相電流、三相電壓、三相溫度和環境溫度的檢測，利用互感器和溫度傳感器采集環境信號，通過模擬信號調節電路對信號調節。通過檢測電壓、電流和溫度信號，相應的信號進入模擬信號調節電路，進行程序的控制處理，最后得出電纜溫度和參數變化，利用無線通訊網絡上傳到上位機中，可視化動態顯示井下電纜的狀態。

3 高壓電纜絕緣在線檢測系統軟件設計

煤礦高壓電纜在線監測與診斷系統軟件主程序是采用模塊化設計，將各個控制功能作為獨立的控制模塊，單獨進行設計，實現對應的功能，最后將所有的模塊匯總到主程序中。圖5所示為系統主程序控制流程圖。

圖5 系統主程序控制流程圖

煤礦高壓電纜絕緣在線監測與診斷系統電控系統主程序的執行過程為：在對DSP2012寄存器進行初始化之后，外部中斷打開，主程序開始正式運作，首先判斷是否接收到指令，當接收到指令時開始調用數據采集模塊的子程序，采集電纜的電壓、電流和溫度信號，隨后調用數據處理和分析子程序，對采集到的數據進行分析和處理，將物理信號轉變為電流信號，并對電纜信號進行監測和診斷，最后在上位機中顯示監測到的數據和診斷結果，自動生成歷史紀錄、隨時查看監測結果和近期的電纜運行狀況。表3所列為煤礦高壓電纜絕緣在線檢測與診斷系統功能列表。

表3 在線監測功能列表

4 試驗與結果

對設計的煤礦高壓電纜絕緣在線監測與診斷系統進行溫度監測實驗，圖6所示為搭建的檢測系統工作界面。

圖6 檢測系統工作界面圖

電纜線芯的溫度不能使用儀器直接檢測，溫度的傳遞需要時間，所以絕緣層的溫度在實際進行檢測過程中存在滯后，對電纜進行溫升模擬?？梢缘玫饺缦滤龅脑囼灲Y果。表4所列為在線芯電流為77 A時部分溫度數據值。

表4 線芯電流設定為77A時溫度實驗數據

隨著電流加載時間延長，絕緣層溫度和線芯溫度都在增加，從趨勢上來看，線芯的溫度和絕緣層的溫度都呈現出正相關，所以可以通過設定某個監測值作為線芯溫度的故障警戒值，避免線芯溫度過高。表5所列為線芯動態溫升實驗數據。

表5 動態溫升實驗數據

從表5的實驗數據可以得出，電纜的線芯動態溫升變化規律與恒定電流下的溫度變化規律一致。隨著電流逐步增加，線芯溫度的測量值和理論計算值趨于一致，并且兩者之間的變化呈現出靠近的趨勢，溫度值偏差較小，且溫度的偏差比較恒定，證明了煤礦高壓電纜在線檢測系統設計的合理性與正確性。

5 結 語

針對煤礦采用的傳統人力檢測電纜工作存在勞動強度大、效率低、準確度不高、環境危險及檢測成本較高等問題，對煤礦高壓電纜在線監測與診斷系統進行分析探討，設計了一種煤礦高壓電纜在線監測與診斷系統，通過硬件系統和軟件系統設計，實現了對煤礦高壓電纜的電流、電壓、溫度等參數的采集與數據處理分析，通過對電纜溫升進行模擬實驗，結果表明：該套系統對電纜溫升的檢測誤差較小，對電壓和電流的檢測精度較高，實驗結果與理論計算值誤差較小，驗證了設計的系統的設計正確性，有利于保證煤礦供電系統安全，避免煤礦事故發生，保證煤礦安全生產。