礦用高壓電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李三旦

(西山煤電集團(tuán)公司 屯蘭礦，山西 太原 030200)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化程度的提高，井下用電設(shè)備的數(shù)量和功率都有了較大提升，相應(yīng)的用電負(fù)荷增大，高壓輸電線路鋪設(shè)總長(zhǎng)度加大。穩(wěn)定的電力供給是保證煤礦安全、高效生產(chǎn)的前提，而輸電線路受井下復(fù)雜工況環(huán)境影響，容易出現(xiàn)各種電力事故，輕則造成設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，重則引起人身觸電、火災(zāi)、爆炸等重大事故。采用高壓輸電線路的絕緣性在線監(jiān)測(cè)等措施可顯著降低該類事故的發(fā)生概率，且可提高采煤機(jī)械設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。傳統(tǒng)的高壓線路絕緣性監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)電力連續(xù)供給影響較大，操作復(fù)雜，且效率較低、精度有限，不便于在線監(jiān)測(cè)[1-3]，針對(duì)這一問(wèn)題，本文將對(duì)礦用高壓電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 煤礦井下高壓電纜分布

圖1為煤礦井下典型供電網(wǎng)絡(luò)圖，地面6 kV高壓線由主電纜輸送至井下各中央變電所，然后分別向井下車場(chǎng)、變流設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備和主水泵等供電，因此6 kV高壓線的分布層級(jí)多，走線距離長(zhǎng)。作為井下電力供給系統(tǒng)的重要組成部分，高壓線纜的工作狀態(tài)對(duì)各種電氣設(shè)備的工作穩(wěn)定性具有顯著影響，而當(dāng)線纜出現(xiàn)故障時(shí)，單純依賴人工巡線進(jìn)行故障查找和排除顯然無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。

2 煤礦高壓電纜絕緣性損傷原因

絕緣性損傷是煤礦高壓電纜的常見故障之一，表現(xiàn)為單相漏電、兩相或三相短路，其損傷原因可概括為以下幾點(diǎn)[4-7]：

(1) 機(jī)械性損傷。井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，巷道周邊圍巖和支護(hù)元件等容易發(fā)生墜落，砸傷電纜；另外，井下的煤炭輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備較多，在與線纜的碰撞和反復(fù)摩擦中，也容易引起電纜絕緣層破損。

(2) 絕緣層老化加速。一方面，當(dāng)輸電線路載荷過(guò)大時(shí)，線芯發(fā)熱嚴(yán)重，從而引起外部橡膠等絕緣物發(fā)生熱損傷；另一方面，井下濕氣大，且包含多種腐蝕性介質(zhì)，也會(huì)加速電纜的老化。

(3) 強(qiáng)電場(chǎng)損傷。電纜生產(chǎn)過(guò)程中，其絕緣層中不可避免地夾雜有氣泡和微裂隙等，后期的機(jī)械損傷也會(huì)產(chǎn)生線纜表皮損壞，此時(shí)，井下的濕氣和水分等侵入絕緣層內(nèi)，并在線芯的強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，絕緣層出現(xiàn)樹枝老化。實(shí)踐表明，高壓電纜的使用壽命和絕緣性與其樹枝老化程度密切相關(guān)。

圖1 煤礦井下典型供電網(wǎng)絡(luò)圖

3 高壓電纜絕緣性監(jiān)測(cè)原理

對(duì)于高壓電纜的絕緣性監(jiān)測(cè)，常用方法包括直流疊加法、工頻疊加法和低頻疊加法等，其中直流疊加法可對(duì)同一變壓器下各支路電纜的對(duì)地絕緣電阻值進(jìn)行測(cè)量，但該方法無(wú)法檢測(cè)線路的對(duì)地分布電容，因此檢測(cè)精度有限；工頻疊加法操作簡(jiǎn)便，可同時(shí)檢測(cè)電纜的對(duì)地絕緣電阻和分布電容，但缺點(diǎn)是靈敏度較低，誤差偏大；低頻疊加法經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和改進(jìn)，其測(cè)量方法和精度都可滿足當(dāng)前對(duì)電纜絕緣性的在線監(jiān)測(cè)要求，因此以下將對(duì)該方法的具體監(jiān)測(cè)原理進(jìn)行研究。

對(duì)于煤礦井下常見的6 kV高壓三相交流輸電系統(tǒng)，低頻疊加法對(duì)電纜絕緣性監(jiān)測(cè)原理如圖2所示，其中Ra、Rb、Rc和Ca、Cb、Cc分別為被測(cè)電纜的對(duì)地絕緣電阻和對(duì)地分布電容。在母線側(cè)通過(guò)三相阻抗器SK設(shè)置接地中性點(diǎn)，同時(shí)隔離設(shè)置低頻電壓信號(hào)源AC。信號(hào)源AC可在其二次側(cè)感應(yīng)出低頻電壓信號(hào)，并經(jīng)三相阻抗器SK注入輸電網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)被測(cè)電纜線、電纜對(duì)地阻抗和容抗等流向大地，并流回感應(yīng)信號(hào)源，形成完整的低頻信號(hào)閉合回路。通過(guò)在電纜上套裝電流傳感器，以及在低頻電壓信號(hào)二次側(cè)安裝電壓傳感器，可對(duì)低頻電流和電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后運(yùn)用矢量方程計(jì)算得到電纜對(duì)地電阻和電容。

分析認(rèn)為，以上低頻信號(hào)單相回路可簡(jiǎn)化為如圖3所示的等效回路，其中，LD為三相電抗器的等效阻抗，LX為電纜分布阻抗，R、C分別為被測(cè)電纜的對(duì)地絕緣電阻和絕緣電容，則該回路的綜合絕緣阻抗Z可表示為：

(1)

圖2 低頻疊加法對(duì)電纜絕緣性監(jiān)測(cè)原理圖

圖3 低頻信號(hào)單相等效回路

式(1)經(jīng)簡(jiǎn)化可得：

(2)

Z=Ai+jBi.

(3)

其中：Ai和Bi分別為綜合絕緣阻抗Z的實(shí)部和虛部。

式(1)中有LD+LX、R、C三項(xiàng)未知數(shù)，傳統(tǒng)計(jì)算方法中一般忽略第一項(xiàng)未知數(shù)影響，由此造成計(jì)算誤差，而通過(guò)向電網(wǎng)中注入頻率分別為f1、f2的低頻信號(hào)，可避免此情況發(fā)生。通過(guò)測(cè)量?jī)煞N信號(hào)對(duì)應(yīng)的電參數(shù)，可得以下方程組：

(4)

求解以上方程組，可得被測(cè)電纜的對(duì)地絕緣電阻R和絕緣電容C：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中的A1、A2、B1、B2可由互感器測(cè)得的低頻電壓和低頻電流信號(hào)經(jīng)全波傅里葉求和處理求得。生產(chǎn)實(shí)踐中，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，一般采集多組數(shù)據(jù)計(jì)算，然后對(duì)所有結(jié)果利用最小二乘法等進(jìn)行處理，以提高計(jì)算精度。

4 電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，高壓電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由低頻信號(hào)源、電壓傳感器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、處理器及報(bào)警電路等模塊組成。其運(yùn)行原理如下：低頻信號(hào)源產(chǎn)生兩種特定頻率的低頻信號(hào)，并由中性接地點(diǎn)注入被測(cè)電網(wǎng)，然后電網(wǎng)中的電流和電壓傳感器采集被測(cè)電纜的電參數(shù)信號(hào)，再經(jīng)陷波、濾波、放大、整流等信號(hào)調(diào)理，可得到相應(yīng)的低頻信號(hào)，然后對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由處理器對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后處理計(jì)算，最終再將處理結(jié)果以圖像或聲音等形式播放，為操作人員提供被監(jiān)測(cè)電纜的對(duì)地電阻和電容值。

圖4 高壓電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

以上各硬件單元的設(shè)計(jì)和選型如下：

(1) 低頻信號(hào)源。對(duì)于井下高壓電網(wǎng)，測(cè)量信號(hào)不可避免地會(huì)受到諧波信號(hào)的干擾，為便于準(zhǔn)確、方便地對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行提取，選擇低頻信號(hào)時(shí)應(yīng)盡量采用與工頻信號(hào)50 Hz頻率差別較大的信號(hào)，結(jié)合實(shí)際需求，最終選擇5 Hz和9 Hz兩種。為保證對(duì)兩種低頻信號(hào)的有序測(cè)量，一般以30 s為間隔循環(huán)交替發(fā)送以上兩種信號(hào)，并且在間隔點(diǎn)向所有測(cè)量單元發(fā)送頻率變換信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

(2) 電壓傳感器和電流傳感器。由于采用的低頻信號(hào)強(qiáng)度較弱，為保證采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，應(yīng)從傳感器的量程和精度兩方面進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)選擇HV03-10霍爾電壓傳感器，量程為10 V～500 V；選擇SCB2霍爾電流傳感器，量程為0 mA～50 mA，精度±0.8%，響應(yīng)時(shí)間>0.02 ms。

(3) 信號(hào)調(diào)理電路。首先，為分離出輸入的低頻信號(hào)，應(yīng)將高頻諧波和工頻信號(hào)進(jìn)行濾除，采用具備正反饋調(diào)節(jié)的雙T工頻陷波電路完成，可使高頻信號(hào)幅值衰減98%以上。然后，進(jìn)行低通濾波處理，主要是對(duì)陷波完成后信號(hào)中的耦合高頻信號(hào)進(jìn)行抑制，以達(dá)到降噪效果，在此采用二級(jí)巴特沃斯低通濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，10 Hz以下的低頻信號(hào)的通過(guò)性較好，30 Hz以上的高頻信號(hào)的抑制率較高；最后，對(duì)獲得的低頻信號(hào)進(jìn)行放大，以便于后期A/D轉(zhuǎn)化處理，放大倍數(shù)依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度而定。

(4) A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路可將低頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，方便進(jìn)行數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算。本系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器為16位高精度ADS8365轉(zhuǎn)換器，其精度高，響應(yīng)快，可滿足在線監(jiān)測(cè)要求。

(5) 處理器及報(bào)警電路。為滿足對(duì)大量數(shù)據(jù)的連續(xù)處理要求，采用性能較為穩(wěn)定的工業(yè)用TMS320F28335微處理器，除按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算外，該芯片還集成了定時(shí)器、CAN總線等模塊。另外，該處理器連接控制按鍵、顯示器、報(bào)警裝置等外部電路，可對(duì)各被監(jiān)測(cè)電纜的絕緣情況進(jìn)行顯示或報(bào)警。

5 結(jié)論

高壓電纜是煤礦井下重要的電力輸送設(shè)備，通過(guò)對(duì)電纜的絕緣性在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)掌握電纜工作情況，保證電力供應(yīng)穩(wěn)定。本文針對(duì)高壓電纜在井下的分布特點(diǎn)，首先分析了其絕緣性損傷原因，并對(duì)高壓電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)方法和相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了電纜絕緣性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各硬件單元的設(shè)計(jì)和選型方法等，對(duì)煤礦電纜絕緣性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立具有積極指導(dǎo)意義。