淺談煤礦井下6kV動力電纜絕緣線監測系統的設計與應用

更新時間：2023-05-12

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安科瑞陳聰

摘要：針對供電系統絕緣問題檢測技術限制煤炭產量效率的問題，以某煤炭企業6kV井下供電系統為研究對象，開展了在線監測系統設計與應用工作。結果表明，系統工作穩定，滿足井下電力電纜絕緣在線監要求，降低了井下電力電纜的人力資源消耗，減少了絕緣故障排除時間，提高了煤礦內部電力設備利用率，為企業創造了更多的經濟效益。

關鍵詞：煤礦；6kV動力電纜；絕緣；監測系統；設計；應用

0引言

隨著煤炭采掘產量和效率的不斷提高，對供電系統工作的安全性和可靠性要求越來越高。目前我國煤礦綜采工作面內供電多為電纜供電模式，電纜絕緣性能好壞與電纜安全可靠工作息息相關，現已引起了高度重視。煤礦井下環境較為惡劣，加之電纜長時間使用過程中的老化或者局部放電，極易出現供電電纜的絕緣老化問題，一旦服役中的供電電纜出現絕緣老化，如不能及時查找故障位置并切斷絕緣老化線路，將會給煤礦井下供電系統造成較大的安全隱患。當前供電系統絕緣老化在線監測裝置較少，常用的測量監測方法需要停止整個電網完成，不僅需要投入大量的人力物力，還會影響煤炭采掘工作的正常進行，限制煤炭的產量和效率的進一步提高。故此，以某煤炭企業6kV井下供電系統為研究對象，開展在線監測系統具有重要的意義。

1煤礦高壓電纜絕緣檢測問題概述

1.1監測方法落后且誤差大

現場調研發現煤礦井下高壓電纜監測方式為定期停電離線檢測，采用手搖式指針兆歐表，運用直流方法對供電電纜的絕緣性進行監測。通過在電纜芯線和表皮施加高壓直流電，如：2kV或者5kV，借助漏電電流計算電纜對地的絕緣性能。該監測方法存在以下問題：①停電人工檢測，影響煤炭采掘工作并消耗大量人力資源。②監測的直流阻抗通過計算得到，并不一定反應電纜實際情況。③市售手搖式指針兆歐表的精度為10%，檢測誤差較大。

1.2測量精度的提升

當前存在的電纜絕緣參數在線檢測裝置中，需要在供電系統工作時注入檢測信號，將檢測信號的幅值和功率設置的較低，避免出現傷人事故。由于電力電纜存在高強磁場，會干擾檢測信號和絕緣信號，導致檢測較為困難。煤礦井下環境惡劣、空間窄小、濕度較大、存在較多的大型采掘設備，檢測過程中存在干擾，尤其是檢測器件信號處理或者算法不合理時，檢測結果將會存在較大的檢測誤差。

2監控系統方案設計

監控系統的功能是在停止電纜電力的情況下，實時監測井下電纜系統絕緣性能參數，及時發現絕緣問題線路，能夠分析絕緣狀態數據及確定異常線路，以便及時確定供電系統絕緣故障。監控系統方案涉及低頻電源、監控終端、CAN總線模塊和監控主站等，其中信號采集模塊實時采集低頻電源電壓及電流信號，傳輸至監控系統終端，進行數據處理和分析，得到電力電纜的實時絕緣電阻和電容值，之后借助CAN總線通信傳輸至監控主站。單個監測主站可以遠程管理和控制多個故障預警終端并顯示絕緣參數數值，一旦發現電力電纜出現故障，將會發出聲音報警及位置顯示，指導故障檢修人員及時完成故障處理。

3詳細設計

3.1硬件設計

3.1.1總體結構

井下電力電纜在線監測系統終端硬件架構，包括低頻信號源、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。工作時，信號調理電路輸入端為電壓電流互感器，將接收得到的信號轉化成A/D模塊可以識別的信號進行模擬量信號向數字量信號的轉化，之后傳輸至DSP中央處理器進行數據處理和運算。

3.1.2硬件選型

電流互感器的作用是實時監測電纜低頻電流信號，選擇型號為SCB2的閉環霍爾型高精度電流互感器。電流互感器的量程為0~10mA，輸入電流范圍為0~10mA，輸出電流范圍為0~25mA，滿量程線性度為土0.2%，滿量程精度為土0.8%，響應時間小于20uS。電壓互感器的作用是實時監測低頻電壓信號，選擇型號為霍爾電流型電壓互感器，電壓互感器輸入電流范圍為0~14mA，輸出電流范圍為0~25mA，測量電壓范圍為10~500V。模擬量/數字量轉換模塊作用是將采集得到的電壓電流信號實時轉換成數字量信號，選擇型號為ADS8365的A/D模塊，精度較高，具有16位并行數據傳輸功能，能夠同時進行6路模擬量信號的同步采樣與轉換。DSP中央處理器選擇型號為TMS320F28335芯片，支持多種語言和代碼，具有較好的程序移植性。

3.2軟件設計

3.2.1主程序

井下電力電纜絕緣在線監控系統主程序流程：進行系統初始化，完成資源分配之后進入測頻程序，緊隨其后的是A/D采樣程序，完成電力電纜低頻電壓電流信號的采集；經過數據處理模量的運算即可得到電纜對地的絕緣電阻，對比標準電阻值，如果出現電纜絕緣電阻實測值小于標準值，系統進入報警程序發出預警，并且將絕緣電阻故障的電纜編號和實測絕緣阻值顯示在操作面板中；與此同時，啟動CAN總線通訊程序將電纜編號和實測阻值傳輸至人機交互界面。

3.2.2數據采集程序

數據采集程序實現低頻電壓電流信號的采集并且實時存儲至DSP的存儲器，其中的電壓電流向量數據以向量組的形式存放。數據采集采用24個點的傅里葉算法，一個采樣周期需要采集24個數據，采樣過程如下：從監測終端監測得到第一輪采樣信號開始進行電壓和電流的同步采樣，累計完成24個采樣數據即結束一個采樣周期，以此循環完成電力電纜系統絕緣性能數據的采集。

3.2.3數據處理程序

數據處理程序負責運算處理數字量/模擬量采集模塊傳輸進來的數據，涉及傅里葉分解運算和絕緣電阻計算。傅里葉分解運算直接通過C語言調用自帶函數庫中的公式，以便提高運算的速率。通過直接調用函數的形式能夠實現大計算量、高速度運算，而且調用時采用簡單的C語言，保證了代碼編寫的速度和模塊編寫的效率，能夠降低代碼的錯碼率，保證程序的運行速度和準確性。

3.2.4CAN總線通信程序

監測終端檢測得到的實測電力電纜絕緣電阻數值經CAN總線傳輸至地面變電所，通過人機交互界面進行實時顯示。與此同時，監控人員根據電力電纜絕緣電阻的實測值及其變化趨勢，通過人機交互界面可以發出相應的控制指令，完成電力電纜工作狀態的遠程控制。

3.3人機交互界面

人機交互界面作為井下電力電纜在線監控系統數據顯示與遠程控制的樞紐，需要進行設計開發，常用的編程語言包括VB、C語言、C++、組態軟件等，其中組態軟件在人機界面設計方面具有明顯的靈活性和適應性的優勢，故而選擇組態軟件進行人機交互界面的開發。監控系統主界面涉及井下電纜絕緣電阻實時數據、歷史數據、變化趨勢顯示、報警等。監控人員可以通過觀察對應編號電纜的絕緣電阻值，當某條電纜出現絕緣故障時，報警系統啟動，發出故障報警信號，同時界面顯示故障電纜編號，可以調取該電纜的絕緣電阻變化曲線，便于故障排查。

4應用效果評價

為了驗證井下電力電纜絕緣在線監控系統設計的適用性，將其應用于某煤礦井下6kV動力電纜絕緣監測工作，進行應用效果跟蹤記錄。結果表明，系統工作穩定，能夠很好的滿足井下電力電纜絕緣在線監測功能。統計結果顯示，在線監控系統的應用，降低了井下電力電纜的人力資源消耗，減少了近30%的絕緣故障排除時間，提高了近15%的煤礦內部電力設備利用率，預計為企業新增經濟效益約150萬/年，取得了很好的應用效果。

5絕緣監測及絕緣故障定位產品

5.1絕緣監測及絕緣故障定位產品

AIM-T系列工業用絕緣監測儀