煤礦電纜絕緣性能檢測系統(tǒng)設計

王 偉

（西山煤電集團鎮(zhèn)城底礦，山西古交 030200）

0 引言

電纜中的絕緣材料一般可以分為固體、液體和氣體3種類型，其中，注射絕緣和擠出絕緣是固體絕緣材料常用的方法，被廣泛應用在變壓器、大功率電機的電力傳輸中。當電纜絕緣介質(zhì)出現(xiàn)損壞的時候，將會產(chǎn)生局部放電、漏電等現(xiàn)象，威脅礦井安全生產(chǎn)。因此，對電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)是保證電纜正常運行的重要措施。在本文中，首先對電纜的絕緣故障進行分析，研究當前介質(zhì)損耗測量的通用方法，并選擇作為本系統(tǒng)的監(jiān)測手段，以80C51單片機為核心，設計相關(guān)硬件電路，實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測。

1 特征量選取

電纜在使用一定年限之后，會出現(xiàn)不同程度的老化，這被稱為“老化現(xiàn)象”，造成電纜老化的原因主要包括：熱老化、機械老化、電壓老化。當電纜溫度升高時，絕緣介質(zhì)的性能不斷下將，內(nèi)部的氧化反應加快，造成電纜的老化，這種現(xiàn)象也被成為“化學老化”；機械老化主要表現(xiàn)為電纜受到擠壓、強力拉伸之后出現(xiàn)裂縫，如果長時間沒有處理，裂縫的空間將逐漸增大，最終可能導致絕緣放電現(xiàn)象；電壓老化體現(xiàn)為電子對絕緣介質(zhì)的損壞或者電纜內(nèi)部電流放熱產(chǎn)生的焦耳熱，分別可以用“電擊穿”和“熱擊穿”理論進行解釋[1]。

1.1 溫度

電纜線芯溫度是判斷電纜絕緣狀態(tài)的重要參數(shù)，通過對電纜的線芯溫度進行實時檢測，可以判斷電纜是否處于過負荷狀態(tài)，并可以根據(jù)“熱擊穿”的相關(guān)理論對電纜絕緣的老化過程進行評估。在實際的溫度檢測中，無法將傳感器放置于電纜線芯位置，因此，在測得電纜表面溫度和周圍的環(huán)境溫度之后，需要通過電纜溫度場的進行線芯溫度的推導[2-3]，計算公式如下：

式中：Ts為絕緣層表面溫度；Wd為絕緣層介質(zhì)損耗；k為空氣的導熱系數(shù)；r2為絕緣層外半徑；r1為絕緣層內(nèi)半徑；qs為絕緣層外表面?zhèn)鳠崴俾省?/p>

1.2 介質(zhì)損耗

電力電纜在進行交流電的額傳輸時，電纜外層的絕緣物質(zhì)處于交變的電流磁場下，會產(chǎn)生電導損耗、極化損耗和局部放電損耗，并在絕緣層的內(nèi)部產(chǎn)生能量損耗[4]，影響電力電纜介質(zhì)損耗大小的主要因素包括：通電電流的頻率、電纜絕緣層的溫度以及電纜中是否存在其他雜質(zhì)[5]。

在考慮煤礦電纜介質(zhì)損耗因素時，電纜的電路模型及向量圖如圖1所示。電纜的絕緣介質(zhì)包括容性部分和阻性部分，可以用一組等效阻容電路表示，因此，流過電纜的包括流過電容的容性電流IC和流過電阻的阻性電流IR兩個組成部分，其中容性電流超前電纜電壓U的相角為90°，當電路中流過標準正弦電壓時，實際電纜中電流超前電壓的相角為π/2-δ，δ為介質(zhì)損耗角，tan δ為介質(zhì)損耗因數(shù)，由圖可知：

圖1 電路模型及向量圖

2 介質(zhì)損耗測量方法研究

2.1 諧振法測量原理

為了能夠準確反映電力電纜的絕緣狀況，需要對電纜的介質(zhì)損耗角進行實時巡回監(jiān)測，常用的方法包括高壓交流平衡電橋法、瓦特表法、諧振法[6]。其中，諧振法[7-8]是通過對電纜絕緣層的電壓信號和電流信號進行同步采樣，然后運用計算機進行諧波處理，得到基波電流信號和基波電壓信號的相位差，進而推算介質(zhì)損耗角δ。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及工程實際經(jīng)驗，可以得出：當tan δ＜0.2%時，判定電纜絕緣狀態(tài)良好，工作正常；當0.2%＜tan δ＜5%時，判定電纜絕緣狀態(tài)應當進行長期監(jiān)視；當5%＜tan δ時，判定電纜絕緣異常，立即進行檢修或者更換。

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)測量

通過電壓互感器TV和電流互感器TA分別測量電纜上的電壓和電纜絕緣層上的電流，利用相關(guān)電路提取電壓和電流的相位關(guān)系，從而實現(xiàn)對介質(zhì)損耗因數(shù)的在線檢測。測量原理如圖2所示，TV和TA完成電氣參量的采集之后，通過移項裝置和平衡電路測量兩者的相位差，此外還可以得到電纜的對地電容C的值。

圖2 tan δ測量電路

3 硬件電路設計

在對電纜絕緣檢測中的相關(guān)特征量進行提取和分析之后，需要設計相關(guān)硬件電路對特征參量進行循環(huán)采集與處理，并根據(jù)檢測結(jié)果判定電纜絕緣層的實時狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，選擇AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)采集，該芯片是一個具有較高性能的8位高性能微處理器，自帶4 k字節(jié)的FLASH存儲器。以AT89C51單片機為核心的電纜故障檢測相關(guān)電路設計如下。

3.1 溫度在線監(jiān)測電路

溫度測量傳感器選擇為PT100傳感器，該傳感器是一種具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，內(nèi)部電阻隨溫度的變化而發(fā)生線型變化，通過測量電阻兩端電壓值即可得到環(huán)境溫度，具有測溫范圍廣、測量精度高的特點。

基于PT100的測溫電路原理圖如圖3所示，利用橋式電壓采樣電路提高電路采樣精度，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的值，可以將基準電壓調(diào)整為2.5 V，即為“2”處的電壓，利用“2”處的電壓值作為基準值，利用“1”處的相對電壓值作為測量結(jié)果，測量電壓經(jīng)過放大電路輸入到單片機的模擬量采集引腳，

圖3 PT100測溫電路

3.2 AD轉(zhuǎn)換電路設計

本系統(tǒng)中，多處需要進行模擬量的采集，利用ADC0809設計相關(guān)模擬量采集電路[9]，該芯片是一種具有8位分辨率的模擬量采集芯片，可以輸入8路的模擬量信號，并通過8個模擬開關(guān)對輸入通道進行選擇。在使用過程中，不需要對基準電壓進行調(diào)零操作，方便用戶的使用。

電路接線圖如圖4所示，IN0～IN7為模擬量輸入引腳，D0～D7為數(shù)字量輸出引腳，信號輸出受“OE”引腳控制，“START”引腳為啟動轉(zhuǎn)換脈沖輸入端，“CLOCK”引腳接時鐘信號輸入。當模擬電壓的范圍是0～+5 V時，可以將參考正電壓選擇為+5 V，參考負電壓接地，此時輸入電壓的最小分度值為5 V/28=0.02 V。

圖4 ADC0809電路

4 系統(tǒng)軟件設計

為了實現(xiàn)對電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測，本系統(tǒng)中利用89C51進行數(shù)據(jù)采集于發(fā)送，軟件編譯平臺選擇為Keil 5軟件。軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先打開看門狗，這樣做的目的是防止程序跑飛，當程序執(zhí)行到某一循環(huán)不能跳出時，自動進行復位。之后進行溫度數(shù)據(jù)采集并利用公式（1）反演線芯溫度；在介質(zhì)損耗的測量中，利用電壓互感器和電流互感器測得電纜上的電壓和電纜絕緣層上的電流，根據(jù)公式（2）中電流的關(guān)系計算介質(zhì)損耗因數(shù)tan δ。當5%＜tan δ時，判定電纜絕緣損壞，發(fā)出報警信號。

圖5 軟件流程

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對煤礦電纜在運行過程中容易出現(xiàn)的老化、損壞等故障，設計絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。首先對表征電纜絕緣特性的特征餐量，如溫度、介質(zhì)損耗等參量進行分析，詳細介紹了基于諧振法的介質(zhì)損耗測量原理?；谝陨咸卣鲄⒘康姆治?，設計以PT100為核心的溫度檢測電路和以ADC0809為核心的模擬量采集單元，可以實現(xiàn)8路模擬信號8位分別率的模擬信號在線檢測，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測需要編寫軟件程序。