煤礦井下電纜故障定位技術(shù)研究

(潞安集團(tuán)物資供應(yīng)處，山西長(zhǎng)治046000)

0 引言

隨著我國(guó)煤礦綜采工作面機(jī)械化和智能化程度的提升，對(duì)采煤機(jī)過程穩(wěn)定性和安全性的要求也越來越高。煤礦井下工作環(huán)境特殊，因此穩(wěn)定的電力供給是生產(chǎn)、運(yùn)輸、照明和通風(fēng)的重要保障。同時(shí)，由于井下各種用電設(shè)備較多，因此需鋪設(shè)大量電纜。但煤礦生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，液壓支架、輸送機(jī)等設(shè)備需頻繁移動(dòng)，加之巷道圍巖墜落等，都易對(duì)電纜造成破壞，發(fā)生短路、漏電等故障。故障發(fā)生后，單純依賴人力對(duì)故障位置進(jìn)行排查，準(zhǔn)確性差，且極為耗時(shí)，對(duì)煤礦連續(xù)生產(chǎn)的影響較大。

為保證井下用電安全，我國(guó)煤礦一般采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的連接方式，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，由于對(duì)地電阻較大，因此漏電電流小，不會(huì)造成人身觸電，但此時(shí)該相與非故障相的相對(duì)電壓增大，若處理不及時(shí)，容易引起相間擊穿，從而擴(kuò)大故障影響范圍，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。

由此可知，研究和解決井下電纜故障點(diǎn)的準(zhǔn)確及時(shí)定位，對(duì)于煤礦生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性的提高意義較大，本文將重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行研究。

1 井下電纜故障分類

井下電纜常見故障類型包括斷路、漏電、短路等，但按照故障位置阻抗大小區(qū)分，可分為高阻故障和低阻故障兩類：

(1)高阻故障：一般指故障發(fā)生點(diǎn)的直流電阻顯著大于電纜自身的特性阻抗，例如斷路、高阻泄漏和閃絡(luò)性故障等。其中斷路表明線纜的一相或者多相的金屬導(dǎo)線，在外力作用下斷開，從而截?cái)嚯娏魍罚娮柚禑o(wú)限大；高阻泄漏則是指故障點(diǎn)的電阻值極大，漏電電流隨著電壓升高而增大；閃絡(luò)性故障是指只有當(dāng)電壓升高至某一數(shù)值時(shí)，線路故障點(diǎn)才會(huì)發(fā)生泄漏。

(2)低阻故障：是指回路中的電阻值降低，使故障區(qū)段的線路阻抗接近導(dǎo)線自身電阻，例如短路等。

2 電纜故障點(diǎn)定位步驟

圖1 電纜故障點(diǎn)定位步驟

由于井下電力系統(tǒng)復(fù)雜，因此在發(fā)生電纜故障后，應(yīng)通過科學(xué)、合理的步驟對(duì)故障類型和故障點(diǎn)位置進(jìn)行排查，以提高故障排除效率，具體步驟如圖1。

第一步，確定故障線路，及時(shí)切斷電源。該步驟可防止長(zhǎng)時(shí)間線路故障對(duì)電氣設(shè)備的損壞，同時(shí)為故障排除提供安全操作環(huán)境；

第二步，確定故障類型。通過電力系統(tǒng)中專用設(shè)備的監(jiān)測(cè)，可對(duì)各種故障類型進(jìn)行初步確定。通過該步驟，可為進(jìn)一步選擇故障排除方法提供參考，并有效提高故障排除效率；

第三步，故障點(diǎn)位置粗測(cè)。一般情況下，使用阻抗法或行波法，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行粗測(cè)，劃定范圍，然后再由專人至該范圍內(nèi)精測(cè)；

(1)信任前因。本文選取的資產(chǎn)負(fù)債率(apl)和營(yíng)業(yè)收入(turnover)兩個(gè)企業(yè)特征變量均在較高的置信水平下顯著，前者與能力信任(trust_ab)負(fù)相關(guān)，后者與能力信任正相關(guān)，表明小微企業(yè)的負(fù)債率越低，營(yíng)業(yè)收入越高，越有助于提升銀行對(duì)企業(yè)的能力信任。

第四步，故障點(diǎn)位置精測(cè)。在故障點(diǎn)附近，使用音頻感應(yīng)設(shè)備對(duì)具體故障位置進(jìn)行精確定位。

以上步驟中，步驟二和步驟三最為重要。判斷故障類型是進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)的基礎(chǔ)，而故障點(diǎn)粗測(cè)的準(zhǔn)確度和精度等信息將決定后續(xù)維修作業(yè)的工作量，并直接影響著故障電路的電力恢復(fù)時(shí)間，因此應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行研究。本文將對(duì)基于TDR的故障定位原理和定位系統(tǒng)建立方法進(jìn)行研究，為進(jìn)一步提高故障點(diǎn)的粗測(cè)精度提供技術(shù)支持。

3 基于TDR的故障定位原理

TDR是時(shí)域反射法(time domain reflectometry)的簡(jiǎn)稱，其檢測(cè)速度快、精度高、安全性好，適宜作為井下電纜故障檢測(cè)。另外，該方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型和故障位置的判定，且所需檢測(cè)設(shè)備較少，便于操作。

3.1 故障位置檢測(cè)原理

圖2 TDR法故障位置檢測(cè)原理

TDR法利用了脈沖行波的反射特性，根據(jù)電力學(xué)中電磁波傳輸理論可知，當(dāng)電磁波在電纜中傳輸時(shí)，在阻抗差異點(diǎn)處將發(fā)生反射現(xiàn)象，而常見的高阻或低阻故障在故障點(diǎn)處有明顯的阻抗變化。因此，如圖2所示，可在測(cè)量位置向被測(cè)電纜內(nèi)發(fā)射一個(gè)低壓脈沖信號(hào)，信號(hào)在故障點(diǎn)處發(fā)生反射，然后計(jì)算入射脈沖與反射脈沖之間的時(shí)間差Δt，再乘以相應(yīng)導(dǎo)線內(nèi)電磁波的波速v，即可得到測(cè)量位置與故障點(diǎn)之間的距離s：

(1)

其中，Δt由專用模塊精確測(cè)得，測(cè)量方法如3.3所述。電磁波在導(dǎo)線內(nèi)的傳播速度v表示如下：

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，c=3×108m/s；μr為線纜外層絕緣材質(zhì)的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)；εr為線纜外層絕緣材質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由上可知，電纜中脈沖行波的傳輸速度與導(dǎo)線的材質(zhì)、長(zhǎng)度等無(wú)關(guān)，而決定于外層絕緣材料的性質(zhì)。礦用導(dǎo)線一般為交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯材料，其μr=1，εr=2.4，則v=194 m/μs。

3.2 故障類型判定方法

(3)

圖3 故障點(diǎn)處反射特性

式中：ZL為導(dǎo)線故障位置的特性阻抗；ZC為正常導(dǎo)線的特性阻抗。

當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生短路等低阻故障時(shí)，故障點(diǎn)處阻抗ZL接近零，此時(shí)反射系數(shù)ρf=-1。在檢測(cè)位置注入圖3(a)所示正極性脈沖時(shí)，反射脈沖為負(fù)極性。而當(dāng)導(dǎo)向發(fā)生開路等高阻故障時(shí)，故障點(diǎn)處阻抗ZL接近于無(wú)窮大，此時(shí)，反射系數(shù)ρf=1。在檢測(cè)位置注入圖3(b)所示正極性脈沖時(shí)，反射脈沖同為正極性。利用以上反射特性，可對(duì)故障類型進(jìn)行判定。

3.3 時(shí)間間隔精確測(cè)量方法

圖4 延遲線法測(cè)量原理

TDR法對(duì)故障位置的檢測(cè)精度很大程度上與時(shí)間間隔Δt的測(cè)量精度有關(guān)。為提高Δt的測(cè)量精度，可采用延遲線法。該方法將測(cè)量時(shí)間分為粗、精兩部分，如圖4，粗測(cè)部分利用系統(tǒng)內(nèi)置時(shí)鐘電路的固有周期τ進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)時(shí)間間隔Δt可包含α個(gè)整數(shù)倍的τ；精測(cè)部分采用抽頭延遲芯片，對(duì)剩余時(shí)間Γ進(jìn)行測(cè)量。隨著集成芯片技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代抽頭延遲芯片的測(cè)量精度可達(dá)百皮秒級(jí)，極大提升了TDR法中時(shí)間間隔的測(cè)量精度。

因此，時(shí)間間隔Δt可表示為：

Δt=α·τ+Γ

(4)

(5)

4 井下電纜故障定位系統(tǒng)

圖5 井下電纜故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上TDR法檢測(cè)原理研究，如圖5所示，井下電纜故障定位系統(tǒng)主要包括信號(hào)處理模塊、脈沖發(fā)送和收集模塊、顯示和輸入模塊三部分。其中，信號(hào)處理模塊由數(shù)據(jù)處理芯片、脈沖發(fā)生電路、抽頭延遲芯片和數(shù)據(jù)緩存區(qū)組成，脈沖發(fā)生電路可產(chǎn)生周期τ為10 ns的振動(dòng)方波，然后經(jīng)脈沖放大電路放大處理后輸入被測(cè)電纜；抽頭延遲芯片可構(gòu)建精度在100皮秒以內(nèi)的延遲線，然后獲得精測(cè)時(shí)間，與粗測(cè)模塊數(shù)據(jù)相結(jié)合，可測(cè)得發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間間隔Δt；數(shù)據(jù)緩存區(qū)可高速存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，以供數(shù)據(jù)處理芯片對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算；顯示和輸入模塊可接收由數(shù)據(jù)處理芯片計(jì)算所得結(jié)果，顯示故障類型和故障距離。

目前，市場(chǎng)在售的信號(hào)處理模塊SPARTAN6系列FPGA，其集成度較高，功能完善，脈沖發(fā)生或抽頭延時(shí)功能均可滿足故障定位功能要求。經(jīng)測(cè)試，根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的井下電纜故障定位系統(tǒng)的精度可達(dá)1 m左右，具備對(duì)短路和開路兩種故障的準(zhǔn)確定位功能，由此驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。