礦用高壓電纜運行狀態(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通訊電路進行詳細設(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、強度降低導(dǎo)致電纜的絕緣強度下降。機械損傷：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的絕緣電阻和溫度變量進行實時采集，然后經(jīng)過信號調(diào)理后傳送給數(shù)字信號處理器（DSP），DSP對信號進行計算分析后通過CAN通訊電路發(fā)送給上位機，上位機在開發(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與上位機之間的通訊工具。因為DSP內(nèi)部具有增強型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，同時還具有聲光報警功能，對于保障煤礦電力系統(tǒng)安全運行和預(yù)防礦井火災(zāi)事故具有重要的意義。

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