煤礦井下電纜故障快速定位技術(shù)研究

魏慧娟

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

連續(xù)性和安全性是我國現(xiàn)代大型煤礦生產(chǎn)中需重點(diǎn)保障的方面，而穩(wěn)定的井下電力供給對采煤生產(chǎn)、照明、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)染哂兄匾饬x。但由于井下工況條件惡劣，變壓器、電纜等電力設(shè)備的使用壽命和故障率較高，時(shí)常發(fā)生斷路、漏電等意外事故，嚴(yán)重影響煤炭的連續(xù)、高效生產(chǎn)。為保證安全生產(chǎn)，井下低壓電網(wǎng)中一般設(shè)置有故障防護(hù)系統(tǒng)，可在各類故障發(fā)生時(shí)，第一時(shí)間做出響應(yīng)，采取相應(yīng)自動保護(hù)措施，保障人員和設(shè)備安全。但由于井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多，且電纜線走向較多[1-3]，因此后期的故障點(diǎn)巡查和排除仍需要消耗大量時(shí)間，給企業(yè)帶來較大的間接經(jīng)濟(jì)損失。

我國煤礦井下一般采用中性點(diǎn)不接地或通過消弧線圈接地的連接方式，對于這種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，漏電電流較小，可防止出現(xiàn)人身觸電事故，但另一方面卻增大了非故障相的對地電壓值，容易出現(xiàn)其它相高壓擊穿，進(jìn)而引發(fā)多點(diǎn)接地漏電，擴(kuò)大了事故范圍和風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何快速、準(zhǔn)確地對故障點(diǎn)進(jìn)行定位和排除，是研究和解決井下低壓電纜故障問題的重點(diǎn)。

1 井下低壓電纜故障分類及原因

1.1 故障分類

井下低壓事故一般包括短路、斷路、漏電、混合故障等，但按照其根本性質(zhì)區(qū)分，可分為低阻故障和高阻故障兩類：

1）低阻故障。一般是指故障發(fā)生點(diǎn)的電阻值明顯下降，甚至接近導(dǎo)電體自身的電阻，即電纜絕緣性失效，常見此類故障如短路等。

2）高阻故障。是指故障發(fā)生點(diǎn)的直流電阻值大于電纜自身的特性阻抗，常見此類故障包括斷路、高阻泄漏和閃絡(luò)性故障等。斷路也稱為開路，表明單相或多相電纜線斷開，無法傳導(dǎo)電流；高阻泄漏指電纜具有一定絕緣性，但隨著電壓升高，泄漏電流增大，最終超過允許值；閃絡(luò)性故障指只有當(dāng)電壓升高到某一數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生泄漏電流，電壓下降則泄漏電流消失[4-5]。

1.2 故障原因

由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，因此井下低壓電纜故障原因主要包括以下3類：

1）物理損傷。井下機(jī)械設(shè)備較多，且移動頻繁，因此在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)運(yùn)過程中容易對周邊電纜產(chǎn)生剮蹭，導(dǎo)致其絕緣性降低或斷路等；另外，煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖石易松動脫落，對電纜造成拉、壓等物理損傷。

2）化學(xué)損傷。一方面，電纜在使用過程中，由于導(dǎo)體材料發(fā)熱，長期作用于外部絕緣層，容易引起材料老化；另一方面，井下環(huán)境條件惡劣，存在高溫、高濕、高腐蝕性等不利因素，更加劇了絕緣層的老化速率。

3）操作失誤。一方面，指在線纜安裝期間，未嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，導(dǎo)致接頭松動、線纜布置不當(dāng)及操作失誤導(dǎo)致的損傷等；另一方面，還包括設(shè)備操作過程中，人為失誤造成的過電壓、過電流等情況，對輸電設(shè)備造成損害。

2 低壓電纜故障點(diǎn)粗定位原理

電纜故障發(fā)生后，可從饋電保護(hù)系統(tǒng)獲知故障類型，但對于具體故障點(diǎn)的定位，還需要使用專業(yè)的故障檢測設(shè)備和方法。故障點(diǎn)定位分為粗定位和精確定位兩個(gè)步驟。粗定位又叫預(yù)定位，是通過一定的技術(shù)手段，對發(fā)生故障線路的大概位置進(jìn)行推斷，以縮小精確定位的搜索范圍。粗定位常用方法包括阻抗法和行波法。

2.1 阻抗法

阻抗法也稱為直流電橋法，是最早使用的故障點(diǎn)巡測方法，該方法的原理是將故障點(diǎn)兩側(cè)的電纜導(dǎo)線作為電橋的兩個(gè)橋臂，再分別在兩端配置一個(gè)固定電阻和一個(gè)可變電阻，然后調(diào)節(jié)可變電阻數(shù)值，直至電橋平衡，由于電纜長度與其阻值成正比，因此可由兩已知電阻數(shù)值推測出故障點(diǎn)兩側(cè)電纜長度之比，結(jié)合電纜總長即可計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。

圖1 阻抗法原理圖

對于典型的單相接地故障，首先將電纜末端的故障相和正常相短接，如圖1所示，假設(shè)每相電纜的單位長度電阻為R0，電纜全長L，故障點(diǎn)距離測量點(diǎn)距離為x，Rf為接地過渡電阻，R1為正常相起始端連接的測量用電阻，R2為故障相起始端連接的可調(diào)電阻，G為測量表，E為直流電源。按圖1連接以上設(shè)備后，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻值，直至G表的讀數(shù)為零，此時(shí)電橋平衡，則兩橋臂之間的電阻值存在以下關(guān)系：

由式（1）可知，故障點(diǎn)到測量點(diǎn)的距離為

阻抗法原理簡單，準(zhǔn)確度相對較高，因此使用廣泛，主要適用于單相接地、相間短路等低阻故障。但當(dāng)故障線路電阻較大、線路較長時(shí)，電橋系統(tǒng)的測量電流較小，誤差增大，此時(shí)不宜采用阻抗法。

2.2 行波法

電流行波在電纜中按照約160～220 m/μs的速度進(jìn)行傳播，利用該特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)行波法測距，其原理是以行波在電纜中固定傳輸速率為基礎(chǔ)，然后利用儀器測量發(fā)射點(diǎn)和故障點(diǎn)之間行波的反射時(shí)間，再通過公式計(jì)算得出測量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的大致距離。根據(jù)原理差異，行波法又可分為低壓脈沖反射法、脈沖電壓法和脈沖電流法。

1）低壓脈沖反射法。在測量端向故障相線輸入一定頻率的脈沖電壓，該脈沖會以固定傳播速率向前傳輸，直至阻抗波動較大位置，即發(fā)生斷路、短路或接地故障位置，此時(shí)在故障點(diǎn)處生成一個(gè)反射脈沖，并向測試端傳回，測量端相關(guān)儀器記錄下兩脈沖的時(shí)間差，然后與傳播速度相乘，可得出故障點(diǎn)的距離。

2）脈沖電壓法。適用于高阻和閃絡(luò)性故障，是通過在測量端加載直流高壓或脈沖高壓信號，將故障點(diǎn)擊穿，然后測量往返于故障點(diǎn)和測量點(diǎn)之間的脈沖時(shí)間，然后得出故障距離。

3）脈沖電流法。原理與脈沖電壓法類似。

表1顯示了以上3種方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，可據(jù)此進(jìn)行針對性選擇。

表1 不同行波法對比

3 低壓電纜故障點(diǎn)精確定位原理

適用于煤礦井下低壓電纜故障點(diǎn)精確定位的方法有音頻感應(yīng)法等，由于已使用粗定位方法得出故障點(diǎn)的大概位置，此時(shí)利用音頻感應(yīng)法可對故障點(diǎn)進(jìn)行更加精確的定位。音頻感應(yīng)法的原理是在粗定位端輸入一定頻率的脈沖信號（1 kHz），然后檢測人員手持帶有磁場變化感應(yīng)傳感器的儀器，在前期粗定位劃定的故障范圍內(nèi)，沿電纜走向進(jìn)行檢測。檢測儀器可對導(dǎo)線內(nèi)脈沖信號產(chǎn)生的變化磁場進(jìn)行感應(yīng)和放大，并輸出到耳機(jī)等外接設(shè)備上，當(dāng)?shù)竭_(dá)磁場變化異常位置時(shí)，即為故障點(diǎn)。這一方法對測量環(huán)境中的電磁場分布均勻性較為敏感，因此實(shí)際使用中應(yīng)選擇合適的儀器和參數(shù)，以避免誤判。

另外，故障精確定位還包括聲測法等，但聲測法中產(chǎn)生的放電電弧將影響煤礦安全生產(chǎn)，因此不宜采用。

4 存在的問題及新技術(shù)

4.1 存在的問題

在以上測量方法中，阻抗法的測量精度相對不高，僅可作為粗測；而精確定位方法中的音頻感應(yīng)法的使用范圍有限，僅適用于低阻，且線路總電阻不高于10 kΩ的場合。其它如脈沖電壓/電流法、聲測法等，均會產(chǎn)生放電電弧，且對線路造成二次損傷，因此不適用于煤礦生產(chǎn)。

4.2 故障點(diǎn)檢測新技術(shù)

隨著電力檢測技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的故障點(diǎn)檢尋方法：

1）涌浪電壓法。首先在線路末端設(shè)置開路點(diǎn)，則故障點(diǎn)產(chǎn)生的浪涌電壓在開路點(diǎn)發(fā)生全反射，然后開路點(diǎn)附近的傳感器接收到脈沖信號，再測出脈沖間隔，即可實(shí)現(xiàn)距離測量，原理如圖2所示。

圖2 浪涌電壓法原理圖

2）溫度傳感器法?？稍陔娎|上相隔一定間距設(shè)置光纖溫度傳感器，然后通過檢測故障點(diǎn)附近的傳感器溫度變化，可對故障位置精確定位。由于傳感器作用的光纖為非金屬材料，因此不會產(chǎn)生電磁干擾，該方法簡便，定位精度高，但鋪設(shè)成本也較大。

3）小波分析法。通過小波變換，可將脈沖反射信號分解出不同的頻率成分，然后根據(jù)高頻信號信息和特性，對故障特征和故障點(diǎn)距離進(jìn)行更加準(zhǔn)確的計(jì)算和分析，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該測量方法近年來發(fā)展迅速，推廣前景較好。

以上新技術(shù)具有較高的測量精度和便捷性，已成為未來低壓電網(wǎng)故障點(diǎn)定位技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

5 結(jié)論

針對煤礦井下低壓電網(wǎng)故障點(diǎn)的快速定位問題，本文首先對常見故障類型和原因進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了阻抗法和行波法等故障點(diǎn)粗定位方法的實(shí)現(xiàn)原理，以及音頻感應(yīng)法等故障精確定位方法，并對以上方法的適用范圍和存在的問題進(jìn)行了分析，隨后對近年來出現(xiàn)的電網(wǎng)故障定位新技術(shù)的原理進(jìn)行了研究。本文研究內(nèi)容對煤礦低壓電網(wǎng)常見故障的定位和排除具有積極的指導(dǎo)意義。

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