煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

陳 智 慧

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣033200）

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快，煤炭消耗量逐年增加。供電系統(tǒng)作為煤炭開采工作的必要條件，其工作的安全穩(wěn)定直接關(guān)系著煤炭開采的產(chǎn)能和效率，必須引起高度重視[1]。電纜作為煤礦井下供電系統(tǒng)中的組成部分，是供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提，也是保證作業(yè)人員安全的基礎(chǔ)。電纜運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的故障包括漏電故障和電弧故障兩種，從危害程度方面看，電弧故障對于井下作業(yè)的安全威脅較大，嚴(yán)重的直接導(dǎo)致井下出現(xiàn)火災(zāi)甚至瓦斯爆炸事故[2-4]。現(xiàn)場工作過程中發(fā)現(xiàn)，電纜電弧故障多發(fā)生在電纜接頭位置，原因是接頭外絕緣破損或者絕緣層被電流擊穿[5-6]。因此設(shè)計井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)，對于提高煤礦井下供電系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)功能要求

電纜接頭故障監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計參照GB14287-2014國標(biāo)開展，要求具備電流監(jiān)測功能、電壓監(jiān)測功能、溫度監(jiān)測功能和電弧故障預(yù)警功能。電流監(jiān)測主要通過觀察電纜接頭電流的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)推斷電纜接頭的運(yùn)行狀況；電壓監(jiān)測功能的作用是通過電壓值的變化確定電纜接頭是否出現(xiàn)電弧故障；電纜接頭溫度監(jiān)測的作用是實(shí)時監(jiān)測電纜接頭的溫度變化；電弧故障預(yù)警主要實(shí)現(xiàn)電纜接頭出現(xiàn)電弧故障之前的預(yù)警，以便相關(guān)人員提前采取有效的防范措施，避免電弧故障的發(fā)生，保證電纜系統(tǒng)的正常工作。

2 電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

煤礦井下電纜系統(tǒng)運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)電弧故障，電路中的電流、電壓就會出現(xiàn)異常波動現(xiàn)象，通常情況下電弧故障出現(xiàn)時，電纜接頭局部將會出現(xiàn)溫度的顯著提高，基于此完成了煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)控系統(tǒng)總體方案，如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由電壓電流監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊、故障預(yù)警模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)電纜接頭位置電壓、電流和溫度的實(shí)時監(jiān)測，為相關(guān)人員提供判斷電纜接頭是否出現(xiàn)電弧故障的依據(jù)。同時系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)電纜接頭運(yùn)行狀況的預(yù)警功能，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測得到電纜接頭存在電弧故障隱患的時候就會及時發(fā)出故障預(yù)警信號，以便提醒操作人員提前進(jìn)行排查檢修，避免出現(xiàn)電纜接頭電弧故障，影響煤礦井下作業(yè)的供電需求。

圖1 電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 電壓電流監(jiān)測模塊設(shè)計

電纜接頭位置電壓、電流監(jiān)測的原理是霍爾效應(yīng)，借助霍爾電壓、電流傳感器完成電纜正常工作時接頭局部電壓和電流的監(jiān)測。選用的電流傳感器的具體參數(shù)如下：額定電流為0～200A、供電電源電壓為±15V、額定輸出電壓為5V、測量孔徑大小為Φ20mm、精度級別為I 級。選用的電壓傳感器型號為CHG-400VS，具體參數(shù)如下：額定電壓為AC400V、輸出電壓為AC5V、測量頻率為50Hz、測量精度為±0.5%。系統(tǒng)將電壓和電流的實(shí)時監(jiān)測數(shù)值直接傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)中設(shè)置井下電纜接頭運(yùn)行狀態(tài)顯示界面，操作人員可以由界面中觀察得到電纜接頭的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2 溫度監(jiān)測模塊

電纜接頭監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度監(jiān)測模塊如圖2 所示，主要包含了傳感器、信號傳輸、波長調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)處理等模塊。傳感器模塊中的傳感元件采用的是光纖光柵傳感器，將其設(shè)置在電纜線芯外圍，范圍覆蓋整個電纜接頭，完成電纜接頭位置的溫度采集工作。選擇光纖光柵傳感器的型號為OP-T01-1，殼體為全封閉結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)測精度高；溫度信號的傳輸采用了光纖，其在信號傳輸過程中具有輸送速度快、抗干擾能力等突出優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒐饫w光柵傳感器采集的電纜接頭溫度信號可靠的傳輸至地面監(jiān)控室內(nèi)部的光譜分析儀器中，進(jìn)而完成信號的解析與讀取；波長解調(diào)模塊主要實(shí)現(xiàn)對光纖傳入的溫度光信號的解調(diào)處理，獲得對應(yīng)的數(shù)字量信號。解調(diào)過程中主要靠光譜分析儀完成，是光信號轉(zhuǎn)化成電信號的關(guān)鍵裝置，便于后續(xù)上位機(jī)界面對于電纜接頭實(shí)時溫度數(shù)據(jù)的顯示。此處選擇了型號為SPECTROMAXx 的光譜分析儀，產(chǎn)于德國，具有技術(shù)先進(jìn)、精度可靠、操作方便等優(yōu)勢；數(shù)據(jù)處理模塊主要在監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)中完成，其接受光譜分析儀解調(diào)得到的電信號，分析電纜接頭位置采集得到了的光譜波長的變化情況，依據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法實(shí)現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)換為電纜接頭運(yùn)行溫度的目的，進(jìn)而顯示在上位機(jī)的界面中，供相關(guān)人員進(jìn)行溫度的監(jiān)視和預(yù)測。

圖2 溫度監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)

2.2.3 故障預(yù)警模塊

煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)中故障預(yù)警模塊的功能主要依據(jù)電壓電流監(jiān)測模塊和溫度監(jiān)測模塊采集得到的接頭電壓、電流和溫度三者的實(shí)測值得以實(shí)現(xiàn)，通過分析以上監(jiān)測實(shí)測值的歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢，能夠自動完成對應(yīng)參照未來變化趨勢的預(yù)測。結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)和查閱大量資料的基礎(chǔ)上得出電纜接頭位置的實(shí)時監(jiān)測溫度變化與其流經(jīng)的電流幅值和電壓幅值有關(guān)，由此可見，在設(shè)計電弧故障預(yù)警模塊時不能忽視電壓和電流變化對接頭位置實(shí)時溫度的影響。在監(jiān)測系統(tǒng)電纜接頭溫度預(yù)警模塊設(shè)計過程中考慮了2 種不同的情況：第一是電纜接頭正常工作；另一種是電纜接頭出現(xiàn)電弧故障。接頭無異常情況下監(jiān)測得到的溫度數(shù)值主要由流經(jīng)接頭的電流決定，但在電纜接頭出現(xiàn)電弧故障的情況下，監(jiān)測得到的溫度數(shù)值主要由電纜接頭兩端的電壓決定。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 電弧故障預(yù)警程序設(shè)計

煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)中主要的是電弧故障預(yù)警模塊，軟件設(shè)計環(huán)節(jié)重點(diǎn)介紹電纜接頭電弧故障預(yù)警模塊的程序編制，程序編制過程中采用了LabVIEW2016，完成了電弧預(yù)警模塊程序的設(shè)計，如圖3 所示。程序運(yùn)行過程中能夠直接調(diào)用以往監(jiān)測儲存的溫度數(shù)據(jù)，首先按照規(guī)定要求設(shè)定溫度閾值，當(dāng)監(jiān)測得到的溫度數(shù)值低于或者超過溫度設(shè)定閾值時就會自動發(fā)出聲光信號，進(jìn)行報警。

2.3.2 監(jiān)測系統(tǒng)主界面設(shè)計

根據(jù)煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)程序及監(jiān)控需求，完成了監(jiān)控系統(tǒng)主界面的設(shè)計，如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行過程時，界面中會顯示煤礦井下電纜接頭位置的實(shí)時電壓數(shù)據(jù)波形、實(shí)時電流數(shù)據(jù)波形以及實(shí)時溫度數(shù)據(jù)波形。為了更好的方便系統(tǒng)監(jiān)控人員對于相關(guān)數(shù)據(jù)的觀察與分析，界面中設(shè)置了電纜接頭位置檢測溫度的最大值、最小值和平均值，并且能夠記錄溫度最大值和最小值出現(xiàn)的時刻。系統(tǒng)監(jiān)測界面具有很好的實(shí)用性和操作性，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

圖3 電纜接頭電弧故障預(yù)警程序

圖4 程序監(jiān)測主界面

3 應(yīng)用效果評價

將設(shè)計完成的煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦企業(yè)井下供電系統(tǒng)當(dāng)中以檢驗(yàn)其設(shè)計效果。該系統(tǒng)連續(xù)工作的3 個月時間內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用期間出現(xiàn)高溫預(yù)警1 次，出現(xiàn)低溫預(yù)警1 次。高溫預(yù)警信號發(fā)出后相關(guān)人員進(jìn)行了電纜接頭的檢測，確定接頭即將發(fā)生電弧故障及時進(jìn)行了修復(fù)；低溫預(yù)警信號發(fā)出后相關(guān)人員進(jìn)行了電纜接頭的檢測，確定線路中出現(xiàn)了斷路故障并及時進(jìn)行了修復(fù)，避免了故障對于整個礦井供電系統(tǒng)的影響。據(jù)相關(guān)人員統(tǒng)計，該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用使井下生產(chǎn)作業(yè)因接頭電弧故障修復(fù)導(dǎo)致的停產(chǎn)停工時間降低近35%，提高了企業(yè)煤炭開采的產(chǎn)能和效率，預(yù)計將會產(chǎn)生260 萬/a 的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié) 論

煤礦井下電纜接頭的可靠工作對于井下供電系統(tǒng)至關(guān)重要。針對某煤礦井下電纜接頭經(jīng)常出現(xiàn)電弧故障的問題，開展了煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計工作。提出了監(jiān)控系統(tǒng)具體的功能要求，基于此完成了監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，包括電壓電流監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊、故障預(yù)警模塊等，同時配套完成了監(jiān)測系統(tǒng)軟件和主界面的設(shè)計，能夠滿足電纜接頭電弧故障的監(jiān)測功能。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，降低了企業(yè)近35%的因電纜接頭電弧故障修復(fù)導(dǎo)致的停產(chǎn)停工時間，提高了企業(yè)煤炭開采的產(chǎn)能和效率，預(yù)計將會產(chǎn)生260 萬/a 的經(jīng)濟(jì)效益。