煤礦井下6kV動力電纜絕緣線監測系統的設計與應用

孫延民

摘要：隨著煤炭產業的發展，電纜供電在礦井中的應用變得愈加重要。惡劣的井下環境和電纜老化等問題使得絕緣安全性成為供電系統中的一個主要挑戰。傳統的離線檢測方法效率低下且準確性有限，因此，需要一種更高效、更可靠的解決方案。分別從系統功能分析、硬件設計以及軟件設計等方面探討了6kV動力電纜絕緣線監測系統設計，在此基礎上，進一步分析該監測系統的實際應用效果，結果表明該系統能夠實時發現潛在的絕緣問題，并提供遠程管理和控制功能，進而為煤礦井下生產工作的順利進行提供可靠保障。

關鍵詞：煤礦；6kV動力電纜；絕緣線監測系統

一、前言

隨著我國煤炭工業的快速發展，對煤礦井下電力供應系統的安全性和可靠性要求越來越高。在這一背景下，6kV動力電纜在井下礦井中被廣泛應用，為礦井提供了必要的電力供應。然而，由于井下環境的特殊性以及電纜長時間使用過程中的老化或局部放電等因素，電纜絕緣老化問題成為井下供電系統的重要安全隱患。當電力電纜的絕緣老化問題無法及時被檢測和處理時，可能會導致供電系統的故障，甚至引發嚴重事故。因此，為了保障動力電纜的安全運行，需要對其絕緣線的工作狀態進行實時監控。

二、6kV動力電纜絕緣線監測系統設計

（一）系統功能分析

1.實時監測電纜系統絕緣性能參數

監控系統的核心功能之一是實時監測電纜系統的絕緣性能參數，包括絕緣電阻和電容值等關鍵參數。為了實現這一功能，系統設計了專門的信號采集模塊，該模塊負責實時采集電纜系統的低頻電源電壓和電流信號。這些信號源自電纜系統本身，不需要停電操作，能夠連續、實時地獲取電纜的電氣性能數據。采集的數據會傳輸至監控系統終端，進行數據處理和分析，以便得到電纜的實時絕緣電阻和電容值。這些參數是評估電纜絕緣性能的關鍵指標，能夠幫助監控人員了解電纜的健康狀況。系統會不斷更新這些參數，以便及時發現任何絕緣問題或異常情況，并通過警報系統提醒操作人員采取必要的措施，確保供電系統的安全性和可靠性。

2.及時發現和分析絕緣問題線路

在煤礦井下供電系統中，電纜絕緣老化或故障可能隨時發生，而系統需要能夠迅速檢測這些問題并提供準確的信息。為實現這一功能，監控系統會對采集到的電纜絕緣性能參數進行實時分析和比對。如果檢測到電纜的實測絕緣電阻值低于標準值或出現異常趨勢，系統將發出警報信號，指示監控人員可能存在絕緣問題的電纜線路。除了警報功能，監控系統還會提供詳細的信息，包括哪一條電纜出現絕緣問題以及實測絕緣電阻值的具體數值。這樣，監控人員可以快速定位問題線路，減少故障排除時間。此外，系統還可以記錄歷史數據和絕緣電阻變化趨勢，幫助分析電纜的絕緣狀態，預測潛在的問題，以便采取預防性措施，確保供電系統的可靠性。

3.遠程管理和控制

在煤礦井下供電系統中，監控人員通常需要實時了解電纜的絕緣狀態和性能參數，并采取必要的措施來應對絕緣問題。為了實現這一功能，監控系統設計了遠程管理和控制模塊，使監控人員能夠通過遠程方式管理和控制電纜系統。

通過監控系統，監控人員可以從地面變電所或其他地方遠程訪問系統，查看電纜的實時絕緣性能數據、歷史數據和變化趨勢，使他們能夠及時了解電纜的狀態，并在必要時采取措施。監控系統還提供了遠程控制功能，監控人員可以通過人機交互界面發出控制指令，例如切斷故障電纜、啟用備用電纜，或者調整電纜工作狀態。這種遠程控制功能允許監控人員迅速響應絕緣問題，減少停電時間和供電中斷，提高供電系統的可靠性。遠程管理和控制功能不僅提高了監控人員的工作效率，還減少了他們在井下的風險，因為他們可以避免進入危險的環境[1]。

（二）硬件設計

1.總體結構和模塊介紹

硬件設計是監控系統的關鍵組成部分，它需要確保監測設備能夠可靠地采集電纜的絕緣性能參數，并將這些數據傳輸到監控系統中進行處理和分析。

硬件設計通常包括以下主要模塊：低頻電源模塊、電壓電流互感器、信號調理電路、數字量/模擬量采集電路、DSP中央處理器、CAN總線通信、鍵盤輸入、電源、時鐘、顯示等模塊。這些模塊共同協作以實現電纜絕緣性能參數的實時監測和數據傳輸。

模塊介紹：低頻電源模塊提供電源供應給其他模塊，并確保電源的穩定性和可靠性。電壓電流互感器模塊用于實時監測電纜的低頻電壓和電流信號，這些信號是計算絕緣性能參數的基礎。信號調理電路模塊對采集到的信號進行處理，包括放大、濾波和調整信號的幅值和相位。數字量/模擬量采集電路模塊負責將處理后的信號轉換為數字量信號，以便DSP中央處理器進行進一步的數據處理和分析。DSP中央處理器模塊是監控系統的核心，它接收并處理來自采集模塊的數據，計算絕緣性能參數，進行數據分析，并根據需要將數據傳輸到CAN總線通信模塊。CAN總線通信模塊負責將數據傳輸至監控主站，以便監控人員實時監測和管理電纜的絕緣狀態。鍵盤輸入、電源、時鐘和顯示模塊等其他模塊用于系統的設置、操作和信息顯示，以保證監控系統的全面功能。

2.選用的傳感器和器件

在監控系統的硬件設計中，選擇合適的傳感器和器件對于確保系統的性能和穩定性至關重要。

首先，為了實時監測電纜的電壓和電流信號，監控系統采用了電壓電流互感器。這些傳感器能夠將電纜中的電壓和電流轉換為可測量的電信號，并輸出給監控系統進行后續處理。對于電流的監測，選用了閉環霍爾型高精度電流互感器，其具有較高的精度和線性度，可以準確測量電纜中的電流。對于電壓的監測，使用了霍爾電流型電壓互感器，它具有廣泛的電壓范圍和較高的測量精度，適用于多種電壓情況下的監測需求。其次，為了實現信號調理和預處理，監控系統采用了信號調理電路。這些電路包括放大、濾波和去噪等功能，用于確保從傳感器獲取的信號穩定、準確且符合系統要求。信號調理電路的設計需要考慮電纜系統中可能存在的干擾和噪聲，并采取適當的措施來抑制這些干擾，以保證信號的質量。最后，為了將模擬信號轉換為數字信號以進行數據處理和分析，監控系統使用了高精度的A/D模塊（模擬/數字轉換器）。選用的A/D模塊型號為ADS8365，具有16位并行數據傳輸功能，能夠進行6路模擬信號的同步采樣與轉換。這種高精度的A/D模塊能夠確保采集到的信號在數字化過程中保持準確性和精度，以便后續的絕緣電阻計算和數據分析[2]。

（三）軟件設計

1.主程序流程

監控系統的軟件設計是確保硬件模塊協調運作并提供準確數據的關鍵組成部分。主程序流程是軟件的核心，以下是主程序流程的詳細介紹：

第一是系統初始化。在啟動監控系統時，首先進行系統初始化，分配資源，建立通信連接，配置參數，準備開始監測電纜的絕緣性能。第二是測頻程序，監控系統開始測頻程序，該程序負責獲取電纜上的低頻電壓和電流信號。這些信號是計算電纜絕緣性能參數所必需的。第三是A/D采樣程序，采樣程序會連續地獲取電壓和電流信號，并將信號轉化為數字信號以便進一步處理。通常，監控系統會采用高速采樣以確保數據的準確性和及時性。第四是數據處理和模量運算，獲取的數字信號經過數據處理模塊，進行傅里葉分解運算以計算電纜的絕緣電阻和電容值。這一過程通常包括使用特定的算法和公式來處理信號數據，以確保準確的結果。第五是絕緣電阻計算，根據數據處理的結果，計算電纜的絕緣電阻。系統會將實測的絕緣電阻值與標準電阻值進行對比，如果出現電纜絕緣電阻實測值小于標準值的情況，系統會觸發報警程序。最后是報警程序，如果監控系統監測到電纜的絕緣電阻存在異常，將啟動報警程序，包括發出聲音警報以提醒操作人員，同時在監控界面上顯示有關故障電纜的信息，包括電纜編號和實測絕緣電阻數值。

2.數據采集程序

數據采集程序是監控系統的重要組成部分，負責實時獲取電纜系統的低頻電壓和電流信號，以便后續的數據處理和分析。

數據采集程序首先依賴于電壓電流互感器模塊，這些傳感器負責在電纜上監測電壓和電流的變化。首先，互感器會將這些信號轉化為小電流信號，并將小電流信號傳遞給監控系統的信號調理電路。信號調理電路的任務是處理傳感器輸出的信號，包括放大、濾波和調整信號的幅值和相位，以確保采集到的信號是穩定且準確的。其次，一旦信號被調理，數據采集模塊將使用高速A/D（模擬/數字）轉換器進行采樣。這個過程通常以固定的時間間隔進行，以保證連續不斷地獲取電纜的電壓和電流數據。因為絕緣性能可能隨時間發生變化，采樣周期通常很短，以確保高頻率的數據更新。最后，采集到的數據以數字形式傳輸到監控系統的主處理器（通常是DSP中央處理器），進行進一步的數據處理和分析。數據采集程序通常負責管理和維護這些數據，確保數據的準確性和可靠性。數據采集的頻率和精度對于監控系統的性能至關重要，必須根據特定的監測要求進行精心設計和配置。

3.數據處理程序

數據處理程序在監控系統中扮演著關鍵的角色，它負責接收來自數據采集程序的電壓和電流信號數據，并進行傅里葉分解運算以計算電纜的絕緣電阻和電容值。

首先，數據處理程序接收來自數據采集模塊的原始電壓和電流信號數據。這些數據通常以數字形式存儲，并以連續的方式傳遞給數據處理程序。數據處理程序需要確保數據的完整性和準確性，通常包括數據校驗和糾錯功能。其次，數據處理程序使用傅里葉分解算法對電壓和電流信號進行分析。傅里葉分解是一種數學方法，可以將信號分解成不同頻率的成分，對于計算絕緣電阻和電容值非常重要。程序將信號分解為基本頻率成分，然后根據這些成分進行計算，以獲得電纜的絕緣性能參數。數據處理程序還需要進行數據的濾波和平滑處理，以減少噪音和干擾對結果的影響。這些處理步驟有助于提高數據的準確性和穩定性。最后，數據處理程序將計算出的電纜絕緣電阻和電容值傳遞給主程序流程，以供進一步的分析和比較。如果監控系統監測到電纜的絕緣性能存在異常，數據處理程序還可以觸發報警程序，通知操作人員采取相應的措施。

4.CAN總線通信程序

CAN總線通信程序是監控系統的重要組成部分，它負責將監測到的電纜絕緣電阻數據傳輸至地面變電所，并與人機交互界面進行實時通信。

首先，CAN總線通信程序使用CAN總線模塊與地面變電所建立通信連接。CAN總線是一種可靠的數據通信協議，適用于工業環境下的高噪聲和干擾環境。通過CAN總線，監控系統可以將數據以數字信號的形式傳輸到地面變電所，確保數據的可靠傳輸。其次，在通信程序中，監測終端會將實測的電纜絕緣電阻數值編碼并打包成CAN總線數據幀，然后通過CAN總線模塊將數據幀發送至地面變電所。數據幀通常包括電纜編號、實測絕緣電阻值、時間戳等信息，以便地面變電所進行識別和記錄。再次，地面變電所接收到CAN總線數據幀后，會進行數據解析和處理。CAN總線通信程序在地面變電所的一端負責接收、解析和存儲數據，同時將數據傳遞給人機交互界面進行實時顯示。監控人員可以通過界面查看電纜的絕緣狀態，包括實時絕緣電阻值和歷史數據，以及絕緣電阻的變化趨勢。最后，CAN總線通信程序還具備遠程控制的功能。監控人員可以通過人機交互界面發出相應的控制指令，例如，遠程切斷電纜電力供應，以便及時應對絕緣故障情況。這種遠程控制功能有助于提高電纜供電系統的安全性和可操作性[3]。

（四）人機交互界面設計

1.界面設計工具和語言選擇

在監控系統中，人機交互界面的設計對于操作人員能夠有效地監測電纜絕緣性能至關重要。為了得到直觀、易用和功能強大的界面，通常會選擇合適的界面設計工具和編程語言。

首先，界面設計工具的選擇是關鍵。常見的界面設計工具包括Visual Basic（VB）、C語言、C++以及專用的組態軟件等。在選擇工具時，需要考慮到界面的靈活性、易于定制和用戶友好性。一些組態軟件如LabVIEW、HMI等專門為監控系統設計提供了強大的界面開發功能，使得設計人員可以輕松創建可視化的監控界面，同時提供了豐富的控件庫和圖形編輯功能，以便更好地呈現數據和結果。其次，編程語言的選擇也是重要的。根據界面的復雜性和功能需求，可以選擇不同的編程語言。VB通常用于快速開發簡單的界面，C語言和C++則更適用于開發高度定制化的、功能復雜的界面。選擇合適的編程語言可以提高界面的性能和響應速度，并支持更高級的用戶交互功能[4]。

2.主界面功能和報警系統

監控系統的主界面扮演著關鍵的角色，它必須設計得具備多重功能以確保電纜絕緣性能的有效監測和管理。

首先，實時數據顯示。主界面應提供電纜系統絕緣性能的實時數據，包括電纜對地的絕緣電阻和電容值。這些數據可以以數字形式清晰呈現，也可以通過圖形方式展示，例如，曲線圖或柱狀圖可以直觀地了解電纜的當前狀態和變化趨勢。其次，報警系統。主界面需要集成強大的報警系統，以便及時響應任何電纜絕緣性能的異常情況。如果監測系統檢測到電纜絕緣電阻或電容值超出了預設的安全范圍，它應能夠觸發報警。報警通常包括聲音和視覺提示，同時顯示異常電纜的編號和具體的異常數值，以便快速定位問題并采取必要的措施[5]。

三、6kV動力電纜絕緣線監測系統的應用分析

（一）系統應用于某煤礦井下的實際情況

在某煤礦的實際應用中，該系統實時監測了煤礦井下電纜系統的絕緣性能參數，包括電纜對地的絕緣電阻和電容值。監測過程不需要停電離線檢測，因為系統能夠在供電工作時進行監測，避免了對煤炭采掘工作的影響。同時，監控系統具備報警功能，一旦檢測到電纜絕緣性能異常，系統將立即發出聲音警報并在主界面上顯示異常電纜的編號和數值，以便操作人員能夠快速響應。

（二）效果評估

監控系統的應用在某煤礦井下電力電纜絕緣線監測中帶來了多項顯著的效益。

首先，通過實時監測電纜系統的絕緣性能參數，系統成功減少了人力資源的消耗。傳統的絕緣檢測方法需要定期停電和人工檢測，不僅占用了大量的人力資源，還對煤炭采掘工作造成了中斷。監控系統能夠在供電工作時持續監測，無需人工干預，因此節省了大量人力資源，使工作人員能夠更專注于其他關鍵任務。其次，監控系統顯著降低了絕緣故障的排除時間。一旦系統檢測到電纜絕緣性能出現異常，它會立即發出聲音和視覺警報，并在界面上顯示異常電纜的詳細信息，使操作人員能夠快速響應，并快速定位和解決問題，從而減少了排除故障所需的時間。相比傳統的離線檢測方法，排除故障的時間縮短了近30％，有助于更快地恢復供電系統的正常運行。再次，煤礦內部電力設備的利用率得以顯著提高。由于供電系統的穩定性和可靠性得到改善，煤礦的生產效率也隨之提高。絕緣故障的減少意味著生產中斷的減少，進一步增加了煤礦內部電力設備的利用率，對于煤炭采掘工作的效率和產量提高起到了積極作用。最后，監控系統的應用將為企業帶來可觀的經濟效益。根據統計數據，系統的應用預計每年將為企業新增約150萬元的經濟效益，包括節省的人力資源成本、減少的絕緣故障排除成本以及提高的生產效率所帶來的收益，有助于企業降低運營成本，提高礦井的盈利能力，并為可持續發展奠定更堅實的經濟基礎。

四、結語

綜上所述，煤礦井下6kV動力電纜絕緣線監測系統的設計與應用，不僅有助于改善供電系統的運行狀況，還能提高礦井的生產效率和經濟效益，進而為煤礦工業的發展提供有力的支持，也為其他類似領域的絕緣監測系統的研究和應用提供了有益的參考和借鑒。

參考文獻

[1]王二強.煤礦井下6kV動力電纜絕緣線監測系統的設計與應用[J].礦業裝備，2022（06）：132-133.

[2]李忠奎，葉錦嬌.煤礦井下動力電纜絕緣在線監測技術研究[J].煤礦機械，2016，37（12）：20-22.

[3]張勇.井下10kV動力電纜絕緣在線監測系統研究[J].煤炭與化工，2016，39（09）：103-105.

[4]董鵬飛.煤礦井下6kV動力電纜絕緣在線監測系統研究[D].焦作：河南理工大學，2015.

[5]董愛華，劉增印，耿新林，等.煤礦井下動力電纜絕緣在線監測的研究[J].控制工程，2013，20（05）：873-876.

責任編輯：張津平