礦用高壓電纜運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究

徐晨璐

【摘要】 隨著煤礦現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，礦用高壓電纜作為井下電能傳輸?shù)闹匾ぞ?，其可靠性直接關(guān)系到煤礦電網(wǎng)的正常運(yùn)行，所以開展礦用高壓電纜的在線監(jiān)測具有重要的意義。本文礦用高壓電纜為研究對象，介紹了我國井下電力網(wǎng)絡(luò)的狀況，分析礦用高壓電纜故障原因及類型，以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心設(shè)計礦用高壓電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，對絕緣電阻監(jiān)測電路、溫度監(jiān)測電路和CAN通訊電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 高壓電纜 監(jiān)測

煤炭是我國能源的主體，在能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占有重大比例，預(yù)計在未來一段時間內(nèi)煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位不會動搖。但我國煤礦開采條件復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，煤礦安全生產(chǎn)事故較多，并且事故造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。我國煤礦電力系統(tǒng)多采用變壓器中性點(diǎn)不接地的供電方式，電能的傳輸主要依靠電纜，所以礦用電纜是煤礦電網(wǎng)的重要組成部分，肩負(fù)著井下電能可靠傳輸和供電系統(tǒng)安全的重任。因此研究礦用高壓電纜的故障類型，開發(fā)礦用高壓電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于提高煤礦電網(wǎng)的安全性和可靠性、避免造成停電事故的安全隱患，減小停電事故的總數(shù)及停電時間、保障井下安全生產(chǎn)工作的順利開展具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義，同時也可以為礦用高壓電纜故障診斷與預(yù)警技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

一、礦用高壓電纜

根據(jù)井下的生產(chǎn)環(huán)境，礦用高壓電纜的故障原因大致可以分為絕緣老化變質(zhì)、機(jī)械損傷、過電壓和過熱。絕緣老化變質(zhì)：長期的高壓作用使絕緣介質(zhì)損耗增大、強(qiáng)度降低導(dǎo)致電纜的絕緣強(qiáng)度下降。機(jī)械損傷：電纜受井下器械碰撞、煤塊砸擊及移動扭曲，導(dǎo)致其表面層損傷及內(nèi)部絕緣受到擠壓破壞。過電壓：由于內(nèi)部過電壓與大氣之間的作用使得電纜絕緣層擊穿。過熱：由于電纜絕緣內(nèi)部氣隙游離造成的局部過熱和長期工作再過負(fù)荷狀態(tài)、安裝處電纜密集或散熱條件差導(dǎo)致的過熱。

二、礦用高壓電纜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

礦用高壓電纜監(jiān)測系統(tǒng)主要完成電纜運(yùn)行信息實時監(jiān)測，通過高精度傳感器對表征電纜的性能指標(biāo)的絕緣電阻和溫度變量進(jìn)行實時采集，然后經(jīng)過信號調(diào)理后傳送給數(shù)字信號處理器（DSP），DSP對信號進(jìn)行計算分析后通過CAN通訊電路發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)在開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)界面上將電纜實時參數(shù)和狀態(tài)顯示出來，同時系統(tǒng)具有聲光報警功能，監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 礦用高壓電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 絕緣電阻監(jiān)測電路設(shè)計

電纜絕緣電阻在線實時監(jiān)測技術(shù)通常選用疊加直流電源的方法，監(jiān)測時斷開電纜的接地線，在接地線上串聯(lián)一個取樣電阻，根據(jù)取樣電阻兩端的電壓來計算電纜的絕緣電阻值。但煤礦安全規(guī)程中明確規(guī)定：井下接地線的接地電阻小于1Ω，所以疊加直流電源的方法不能滿足煤礦井下高壓電纜監(jiān)測系統(tǒng)的需求。所以采用通過三相電抗器疊加低壓直流電壓的方法進(jìn)行在線監(jiān)測，如圖2所示。因為井下電網(wǎng)可靠性低、容易出現(xiàn)電壓波動，一旦交流電壓傳入直流電源中容易造成電源燒毀，甚至導(dǎo)致煤礦瓦斯爆炸等事故，所以在電路中設(shè)置50Hz陷波器和低通濾波器，保證電路中只有直流電通過，隔斷交流信號，保證監(jiān)測系統(tǒng)的安全性。監(jiān)測過程中直流電源疊加在電纜的絕緣上，選擇電阻R8和R9擴(kuò)大絕緣電阻的監(jiān)測范圍。

2.2 溫度監(jiān)測

礦用高壓電纜溫度在線監(jiān)測理想狀態(tài)是能夠直接測量到電纜的線芯溫度，但監(jiān)測過程中電纜處于工作狀態(tài)，溫度傳感器無法直接接觸電纜的線芯。為了保證煤礦電網(wǎng)安全，不改變現(xiàn)有的供電環(huán)境，監(jiān)測時直接將溫度傳感器設(shè)置在每一相電纜的絕緣表面和周圍的環(huán)境中，測量電纜表面和環(huán)境溫度，然后計算出電纜線芯的溫度。監(jiān)測系統(tǒng)選用DS18820型溫度傳感器測量溫度，傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號經(jīng)過信號驅(qū)動放大和光電隔離后發(fā)送給DSP進(jìn)行計算，得到礦用高壓電纜的溫度值。

2.3 CAN通信電路設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)選用CAN通訊技術(shù)作為TMS320F2812與上位機(jī)之間的通訊工具。因為DSP內(nèi)部具有增強(qiáng)型eCAN通訊模塊，電路設(shè)計時省去了CAN控制器的設(shè)計環(huán)節(jié)。選用具有隔離功能的CAN收發(fā)器，將DSP的CAN收發(fā)信號引腳CANTX和CANRX與CTM8251T的RXD和TXD引腳相連接，CTM8251T的CANH和CANL引腳與CAN物理總線相連接，CAN通訊電路如圖3所示。

為了增加電路抗干擾能力，在CANH和CANL之間串聯(lián)一個匹配電阻。

圖3 CAN通訊電路

三、結(jié)束語

本文在分析礦用高壓電纜故障原因和故障類型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了礦用高壓電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括絕緣電阻監(jiān)測電路、溫度檢測電路和CAN通訊電路，監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，同時還具有聲光報警功能，對于保障煤礦電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和預(yù)防礦井火災(zāi)事故具有重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳巧勇.交聯(lián)聚乙烯電力電纜的絕緣在線檢測研究[M].武漢大學(xué)圖書館，2003.8；

[2] 謝安生，鄭曉泉，李盛濤等.XLPE電纜絕緣中的電樹枝結(jié)構(gòu)及其生長特性[J].高電壓技術(shù).2007，33（6）：169-173；

[3] 閆雪松.礦用電纜故障檢測的低壓脈沖的DDS實現(xiàn)技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2010，（1）：43-54.