煤礦井下電纜絕緣線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案介紹 安科瑞 許敏

摘要：針對供電系統(tǒng)絕緣問題檢測技術(shù)限制煤炭產(chǎn)量效率的問題，以某煤炭企業(yè)6kV井下供電系統(tǒng)為研究對象，開展了在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足井下電力電纜絕緣在線監(jiān)測要求，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(nèi)部電力設(shè)備利用率，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：煤礦；6kV動力電纜；絕緣；監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用。

引言

隨著煤炭采掘產(chǎn)量和效率的不斷提高，對供電系統(tǒng)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(nèi)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(guān)，現(xiàn)已引起了高度重視。煤礦井下環(huán)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(xiàn)供電電纜的絕緣老化問題，一旦服役中的供電電纜出現(xiàn)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(tǒng)造成較大的安全隱患。當(dāng)前供電系統(tǒng)絕緣老化在線監(jiān)測裝置較少，常用的測量監(jiān)測方法需要停止整個電網(wǎng)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(jìn)行，限制煤炭的產(chǎn)量和效率的進(jìn)一步提高。故此，以某煤炭企業(yè)6kV井下供電系統(tǒng)為研究對象，開展在線監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測方法落后且誤差大

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)煤礦井下高壓電纜監(jiān)測方式為定期停電離線檢測，采用手搖式指針兆歐表，運(yùn)用直流方法對供電電纜的絕緣性進(jìn)行監(jiān)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(jì)算電纜對地的絕緣性能。該監(jiān)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(jiān)測的直流阻抗通過計(jì)算得到，并不一定完全反應(yīng)電纜實(shí)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(dāng)前存在的電纜絕緣參數(shù)在線檢測裝置中，需要在供電系統(tǒng)工作時注入檢測信號，將檢測信號的幅值和功率設(shè)置的較低，避免出現(xiàn)傷人事故。由于電力電纜存在高強(qiáng)磁場，會干擾檢測信號和絕緣信號，導(dǎo)致檢測較為困難。煤礦井下環(huán)境惡劣、空間窄小、濕度較大、存在較多的大型采掘設(shè)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(jié)果將會存在較大的檢測誤差。

2監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的功能是在停止電纜電力的情況下，實(shí)時監(jiān)測井下電纜系統(tǒng)絕緣性能參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)絕緣問題線路，能夠分析絕緣狀態(tài)數(shù)據(jù)及確定異常線路，以便及時確定供電系統(tǒng)絕緣故障。監(jiān)控系統(tǒng)方案涉及低頻電源、監(jiān)控終端、CAN總線模塊和監(jiān)控主站等，其中信號采集模塊實(shí)時采集低頻電源電壓及電流信號，傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得到電力電纜的實(shí)時絕緣電阻和電容值，之后借助CAN總線通信傳輸至監(jiān)控主站。單個監(jiān)測主站可以遠(yuǎn)程管理和控制多個故障預(yù)警終端并顯示絕緣參數(shù)數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)電力電纜出現(xiàn)故障，將會發(fā)出聲音報警及位置顯示，指導(dǎo)故障檢修人員及時完成故障處理。

3詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

3.1.1總體結(jié)構(gòu)

井下電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)終端硬件架構(gòu)，包括低頻信號源、電壓電流互感器、信號調(diào)理電路、數(shù)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(diào)理電路輸入端為電壓電流互感器，將接收得到的信號轉(zhuǎn)化成A/D模塊可以識別的信號進(jìn)行模擬量信號向數(shù)字量信號的轉(zhuǎn)化，之后傳輸至DSP中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。

3.1.2硬件選型

電流互感器的作用是實(shí)時監(jiān)測電纜低頻電流信號，選擇型號為SCB2的閉環(huán)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(yīng)時間小于20uS。電壓互感器的作用是實(shí)時監(jiān)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(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊作用是將采集得到的電壓電流信號實(shí)時轉(zhuǎn)換成數(shù)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(shù)據(jù)傳輸功能，能夠同時進(jìn)行6路模擬量信號的同步采樣與轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

3.2.1主程序

井下電力電纜絕緣在線監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程：進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成資源分配之后進(jìn)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(jīng)過數(shù)據(jù)處理模量的運(yùn)算即可得到電纜對地的絕緣電阻，對比標(biāo)準(zhǔn)電阻值，如果出現(xiàn)電纜絕緣電阻實(shí)測值小于標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)進(jìn)入報警程序發(fā)出預(yù)警，并且將絕緣電阻故障的電纜編號和實(shí)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?qū)㈦娎|編號和實(shí)測阻值傳輸至人機(jī)交互界面。

3.2.2數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)低頻電壓電流信號的采集并且實(shí)時存儲至DSP的存儲器，其中的電壓電流向量數(shù)據(jù)以向量組的形式存放。數(shù)據(jù)采集采用24個點(diǎn)的傅里葉算法，一個采樣周期需要采集24個數(shù)據(jù)，采樣過程如下：從監(jiān)測終端監(jiān)測得到第一輪采樣信號開始進(jìn)行電壓和電流的同步采樣，累計(jì)完成24個采樣數(shù)據(jù)即結(jié)束一個采樣周期，以此循環(huán)完成電力電纜系統(tǒng)絕緣性能數(shù)據(jù)的采集。

3.2.3數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)運(yùn)算處理數(shù)字量/模擬量采集模塊傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)，涉及傅里葉分解運(yùn)算和絕緣電阻計(jì)算。傅里葉分解運(yùn)算直接通過C語言調(diào)用自帶函數(shù)庫中的公式，以便提高運(yùn)算的速率。通過直接調(diào)用函數(shù)的形式能夠?qū)崿F(xiàn)大計(jì)算量、高速度運(yùn)算，而且調(diào)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(yùn)行速度和準(zhǔn)確性。

3.2.4CAN總線通信程序

監(jiān)測終端檢測得到的實(shí)測電力電纜絕緣電阻數(shù)值經(jīng)CAN總線傳輸至地面變電所，通過人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時顯示。與此同時，監(jiān)控人員根據(jù)電力電纜絕緣電阻的實(shí)測值及其變化趨勢，通過人機(jī)交互界面可以發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成電力電纜工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。

3.3人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面作為井下電力電纜在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示與遠(yuǎn)程控制的樞紐，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，常用的編程語言包括VB、C語言、C++、組態(tài)軟件等，其中組態(tài)軟件在人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面具有明顯的靈活性和適應(yīng)性的優(yōu)勢，故而選擇組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面的開發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)主界面涉及井下電纜絕緣電阻實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、變化趨勢顯示、報警等。監(jiān)控人員可以通過觀察對應(yīng)編號電纜的絕緣電阻值，當(dāng)某條電纜出現(xiàn)絕緣故障時，報警系統(tǒng)啟動，發(fā)出故障報警信號，同時界面顯示故障電纜編號，可以調(diào)取該電纜的絕緣電阻變化曲線，便于故障排查。

4應(yīng)用效果評價

為了驗(yàn)證井下電力電纜絕緣在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的適用性，將其應(yīng)用于某煤礦井下6kV動力電纜絕緣監(jiān)測工作，進(jìn)行應(yīng)用效果跟蹤記錄。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠很好的滿足井下電力電纜絕緣在線監(jiān)測功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)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(nèi)部電力設(shè)備利用率，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益約150萬/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

5絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

5.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應(yīng)用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能

5.2絕緣故障定位產(chǎn)品

工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。

5.3絕緣監(jiān)測耦合儀

絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。

6技術(shù)參數(shù)

6.1絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)

6.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

6.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

6.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)

7結(jié)語

井下電力電纜作為煤礦電力設(shè)備工作的前提條件，其工作的可靠性和穩(wěn)定性極為重要。針對供電系統(tǒng)絕緣問題檢測技術(shù)限制煤炭產(chǎn)量效率的問題，以某煤炭企業(yè)6kV井下供電系統(tǒng)為研究對象，開展了在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作。

審核編輯黃宇