采煤機光電復合纜安全傳輸性能檢測平臺設計

金鑫

（上海煤科檢測技術有限公司 上海市 201400）

1 前言

采煤機光電復合纜兼有電氣傳輸單元和光纖傳輸單元，用于智能采煤機系統供電和智能控制。采煤機光電復合纜的基本特點是具備結構緊湊、兼具電能輸送和光電控制信號傳輸控制功能。隨著國家發(fā)改委、工信部、國家能源局等部委頒布的《中國制造2025-能源裝備實施方案》、《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030 年）》等能源行業(yè)規(guī)劃的逐步落實，國家提倡的煤炭智能綠色開采技術、隱蔽致災因素智能探測、重大災害監(jiān)控預警、深部礦井災害防治、重大事故應急救援裝備等領域都將對光電復合纜及其終端衍生產品有大量的應用需求，因為采煤機光電復合纜復合傳輸的優(yōu)異性能以及多樣化的應用終端，光電復合傳輸技術在智能綠色開采和遠程大數據通信方面的優(yōu)勢愈加明顯，目前國內外光電復合纜的傳輸性能檢測技術研究主要有光電復合海底電纜、電力系統光電復合纜等在線檢測以及固定敷設狀態(tài)下的傳輸性能檢測，此類產品使用的檢測技術主要包括采煤機電纜機械、電氣性能檢測方法、光纖傳輸檢測方法，已有的檢測系統和方法在檢測采煤機光電復合纜時并不能真實反映線纜在采煤工作狀態(tài)下的性能優(yōu)劣，缺少采煤機復合纜敷設環(huán)境和復合傳輸相關檢測技術，本項目設計和研制采煤機光電復合纜動態(tài)機械特性與傳輸特性相關性的檢測平臺，以滿足動態(tài)模擬智能綜采工作面的采煤機光電復合纜所受機械應力及光電復合傳輸安全性、耐久性的檢測需求。

2 設計原理和目標

光電復合傳輸技術最先用于海纜，目前智能電網、遠距離通信、自動化控制等多領域廣泛應用，國內近年來越來越多的用于智能電網和現代通訊系統，但相關標準都只涉及固定敷設的光電復合纜，生產工藝和使用工況與采煤機光電復合纜存在很大區(qū)別，采煤機光電復合纜運行環(huán)境高溫高濕、反復彎曲、拖曳，同時大電流的光電復合纜其電流溫度特性對光電控制信號傳輸都有較大的安全影響，現有的檢測方法和檢測設備難以有效和全面測試，平臺需要以實際應用環(huán)境為基礎，通過科學檢測方法創(chuàng)新設計具備以下檢測能力：

2.1 針對煤礦安全性需求的采煤機光電復合纜材料安全性檢測能力

采煤機光電復合纜應用于易燃易爆和高機械損傷的復雜環(huán)境，其工藝結構、加強件、護套等材料起著對內部光纖和導體的保護作用，應當在火災、重物沖擊、機械碾壓等事故狀態(tài)下也能具備一定的保護能力，在事故發(fā)生時應有一定時間的工作能力為應急救援提供緩沖時間，并且要求在發(fā)生災害性事故時煤礦用光電復合纜不應導致二次危害。平臺利用光電復合纜工藝學、材料學方法分析煤礦用光電復合纜基本結構、材料的安全性特性。

2.2 針對采煤機光電復合纜動態(tài)敷設下的電氣和光信號傳輸穩(wěn)定性檢測能力

采煤機光電復合纜敷設環(huán)境及狀態(tài)與地面不同，井下光電纜在高溫高濕環(huán)境及狹窄空間運動狀態(tài)下敷設，可靠性受到外界應力和環(huán)境因素的影響，例如小半徑彎曲、反復交變張力下拖曳、持續(xù)高溫高濕等極端因素，項目研究礦井環(huán)境下持續(xù)拖曳曲繞和拖鏈式彎曲狀態(tài)，復合纜持續(xù)承受復雜的機械拉伸、曲繞、扭轉等多種應力工況，在模擬周期性拖曳曲繞和鏈式彎曲工況條件下，定量分析采煤機光電復合纜在復雜工況下的動態(tài)衰減、應變、抗干擾能力和電氣安全性，電氣和光信號同步傳輸穩(wěn)定性檢測能力。

2.3 針對采煤機光電復合纜高危應用環(huán)境的事故模擬能力

煤礦生產常見重物沖擊、擠壓、電流過載、燃燒等事故形態(tài)，利用測試系統模擬事故發(fā)生條件，驗證采煤機光電復合纜在事故狀態(tài)下的持續(xù)工作能力和安全特性，檢測事故條件下采煤機光電復合纜進行光電復合傳輸的極限，分析采煤機光電復合纜在煤礦井下安全保障和應急救援中的作用和水平。

3 關鍵性檢測技術

采煤機光電復合纜用于煤礦井下智能工作面的采煤機供電和測控信號傳輸，常規(guī)類型為額定電壓0.38/0.66kV～1.9/3.3kV，結構通常為動力線芯、地線芯、控制線芯、光纖以及絕緣、屏蔽、填充、護套等組成。主功能為動力線芯和地線芯構成動力回路，為采煤機的牽引、搖臂、旋轉截齒供電，控制線芯和光纖線組通過傳輸電信號和光信號進行遠程測控，并適時反饋采煤機、線纜運行狀態(tài)，附加智能功能包括視頻傳輸、瓦斯、粉塵溶度、環(huán)境溫濕度信息反饋。因為采煤機光電復合纜多線性復雜結構、敷設環(huán)境危害性因素多重影響，控制功能智能化和高可靠性要求，對上述性能檢測需要也更高，主要體現以下幾個方面：

3.1 采煤機光電復合纜動態(tài)機械性能檢測

采煤機光電復合纜在運動和機械應力影響下造成線纜變形，變形狀態(tài)下的信號傳輸由于光纖內波導各個不同部分的折射率變異引起波速的差異因而產生光脈沖展寬或失真，影響數據傳輸的準確性，平臺應能模擬線纜拉伸、拖曳、曲繞、擠壓、沖擊等動作狀態(tài)下分析應變、色散對數據傳輸的影響，利用光纖應變和色散原理檢測采煤機光電復合纜數據傳輸可靠性，研究采煤機線纜拖曳曲繞和擠壓沖擊等模擬工作狀態(tài)下的信號損耗、故障定位方法和配套檢測設備。

技術指標：

A.系統具備模擬線纜拉伸、拖曳、曲繞、擠壓、沖擊等動作，拉力：50kN，彎曲半徑150mm～250mm；

B. 色散不確定性：1.5%；零色散波長不確定性：0.2nm；色散斜率不確定性：1.5%；色散重復性典型值（ps/nm·km）：0.001-0.002；

C.信息分析模塊與機械模擬系統同步連接和數據共享。

3.2 采煤機光電復合纜光纖傳輸特性檢測

采煤機光電復合纜結構復雜，動力線芯、控制線芯、光纖單元同步傳輸電源動力、控制信號和光信號，光纖結構參數影響傳輸特性質量，項目研究各線芯傳輸的數據變化和相互作用，分析線芯結構、包層直徑、截止波長、模場直徑等光纖參數對采煤機線纜光電復合傳輸的影響。采煤機光電復合纜敷設環(huán)境分為露天和井工不同環(huán)境，環(huán)境溫度、濕度對傳輸的影響需要通過環(huán)境模擬系統來仿真，平臺應具備高低溫和濕度模擬功能。

技術指標：

A:具備測量采煤機線纜光纖光譜損耗、截止波長、模場直徑等參數測量能力，波長范圍：1100 ～1650 nm，波長1310nm/1550nm 的重復性測試精度≤ 0.01 dB RMS。

B:自動測量光纖結構，對影響采煤機線纜彎曲特性的光纖幾何參數芯徑、包層直徑、芯包不圓度、芯包同心度等可進行重復精確測量。其中芯徑單模＜0.05 μm，多模＜ 0.08 μm；包層直徑單模＜ 0.05 μm，多模＜ 0.05 μm

C:環(huán)境模擬滿足自動周期性模擬-70℃～+90℃的環(huán)境溫度和30%RH～95%RH 濕度變化，不小于10m的試驗空間。

3.3 大電流采煤機光電復合纜電氣傳輸特性檢測。

應用于大電流載荷的采煤機光電復合纜在高溫高濕環(huán)境及狹窄空間反復彎轉運行，產生溫度和放電效應，分析驗證溫度和放電效應對采煤機線纜電氣和光纖數據傳輸的影響，模擬過載大電流產生的高溫、沖擊電壓等綜合電氣環(huán)境，檢測采煤機線纜電氣和光信號數據傳輸的穩(wěn)定性。

技術指標：

A:最大試驗電流：3000A；調壓器容量：30kVA

B:系統測量電荷靈敏度＜0.1pC；步長4dB；可調節(jié)輸入衰減0～96dB；

C:溫度循環(huán)自動程序化控制，溫度測量精度±1.5%。

4 系統組成和設計

為實現系統功能，采用模塊化設計，分布式網絡化布局，如圖1 所示，包含結構參數檢測模塊、機械特性模擬模塊、電氣特性模擬模塊、環(huán)境特性模擬模塊、傳輸特性檢測系統。各檢測系統和機械特性模擬模塊均可獨立控制，也可以上位計算機統一對各系統進行遠程信息采集和集中控制，其中機械特性模擬模塊可與電氣特性檢測系統、傳輸特性檢測系統并行聯動測試。

圖1： 系統原理

4.1 結構參數檢測模塊

采煤機光電復合纜結構復雜，動力線芯、控制線芯、光纖單元同步傳輸電源動力、控制信號和光信號，光纖幾何參數影響傳輸特性質量，結構參數檢測系統針對線芯結構、包層直徑、截止波長、模場直徑等光纖參數測量分析。系統由絕緣護套尺寸影像測量儀、光纖幾何參數測量儀組成。其中影像測量儀采用LED 光源，1000 萬像素光學數碼拍攝，運用自動圖像識別技術，程序化自動分析絕緣和導體結構尺寸；光纖幾何參數測量儀采用近場光分布法測試復合纜光纖纖芯參數，如圖2 所示，測試儀由光纖位置調節(jié)機構、光纖成像系統、自動控制系統、圖像采集系統、數據處理系統等組成。

圖2： 光纖幾何參數測量儀

4.2 機械特性模擬模塊

機械特性模塊用來檢測采煤機光電復合纜機械性能，配備模擬煤礦機械應力的拖曳曲繞、拉伸、沖擊、扭轉、擠壓系統、模擬復合纜被采煤機電纜夾板拖曳彎曲運動的的S 型彎曲系統和模擬卷筒收放的拖曳曲繞系統，具備復合纜綜合機械耐久性檢測功能。其中拖曳曲繞機系統結構如圖3 所示，采用多層曲繞半徑的塔輪模擬絞線盤，曲繞半徑150mm～700m，線芯規(guī)格10mm～300mm。拖曳輪帶動鋼絲繩拉動復合纜試樣雙向曲繞，并往返拖曳復合纜纜由平直狀態(tài)到“U”形狀態(tài)，采用PLC 控制系統，50kN 液壓張緊裝置，張力精度±5N，模擬采煤機電纜拖曳收放狀態(tài)，給電纜施加可控的收放張緊力，按拖曳電纜工作半徑設定曲繞半徑，一定次數的拖曳曲繞運動，配合電氣特性系統和傳輸特性檢測系統測量電路通斷和短路狀況以及光纖應變和色散。

圖3： 拖曳曲繞機系統結構

4.3 電氣特性模擬模塊

電氣特性模塊用來模擬采煤機光電復合纜導電、絕緣、屏蔽、耐壓、電磁兼容等綜合電氣特性，配合機械特性模塊同步進行動態(tài)電氣特性檢測要求。模塊集成大電流加載系統、沖擊電壓系統、高阻計、直流電橋、耐壓儀、屏蔽系數測試系統，可實現3000A 電流加載和100kV 的沖擊電壓模擬，實時分析復合纜電流過載、沖擊電壓等故障狀態(tài)下的電氣特性，檢測復合纜各組件的導電、絕緣、屏蔽性能以及電氣耐久性能。其中大電流加載系統由30kVA 感應式調壓器組、3000A/10V 大電流發(fā)生器組、90kvar 低壓補償電容器組以及循環(huán)控制系統組成，可滿足大電流周期性自動加載，線纜溫升控制。模塊通過模擬線纜過載電流和溫度狀態(tài)，分析采煤機光電復合纜在長期過載條件的電阻、絕緣和溫升電氣特性。

4.4 環(huán)境特性模擬模塊

環(huán)境特性模塊模擬采煤機光電復合纜高溫高濕環(huán)境以及露天采煤低溫環(huán)境，采用步進式高低溫交變濕熱試驗系統，包含空間2200m×2200m×2200m 試驗箱、升降溫系統、加濕系統、溫濕度程序控制器、氣流循環(huán)系統。滿足整盤長度復合纜測試空間，溫度控制范圍：-70℃～+90℃， 濕度控制范圍：30%RH～95%RH ，溫度波動度：≤±0.5℃ ，濕度波動度：≤±3%RH。環(huán)境特性模擬模塊程序化模擬高低溫濕度交變環(huán)境，可滿足高緯度低溫地面環(huán)境和井下濕熱環(huán)境的模擬，同時大空間滿足整盤光電復合纜的步入式測試，配合電氣和傳輸特性檢測模塊可以在高低溫濕熱環(huán)境下對復合纜電氣和光纖傳輸性能進行環(huán)境相關性分析。其中阻燃試驗模塊可以模擬大電流過載導致光電復合纜導體溫升工作溫度205℃下，甲烷火焰燃燒，試驗電流最高3000A，測試光電復合纜短路過載環(huán)境下的阻燃特性。

3.5 傳輸特性檢測系統

傳輸特性檢測單元需要滿足復合線芯工作狀態(tài)的傳輸特性檢測，通過傳輸特性檢測模塊對復合纜動態(tài)功率、色散、控制信號進行綜合分析。系統分別設計光信號檢測模塊和電信號檢測模塊,其中光信號檢測模塊包含光時域反射儀、色散分析儀、應變測試儀、光纖傳輸參數測試儀，電信號檢測模塊集成矢量網絡分析儀和LCR 測試儀等，通過程序化交互系統自動組合，能滿足多種模式的復合傳輸特性檢測。其中光纖傳輸參數測試儀利用機器視覺技術配合穩(wěn)定的光學系統，CCD 成像進行光纖端面位置檢測，采用步進控制技術可實現對光纖注入端端面和光纖測試端端面進行自動調整配對，利用數字鎖相技術，對微弱信號進行鎖相放大，提高動態(tài)范圍和信號的響應時間，提高了測試速度，采用遠場可變孔徑法，自動分析模場直徑的影響，并對截止波長、模宏彎損耗等參數進行綜合分析。系統采用鎖相放大器對微弱信號進行放大，通過控制器控制單色儀控制注入光源的波長，采用微分相移法，應用1310nm 和1550nm 二個LED 光源，通過固態(tài)單色儀進行波長調制，在連續(xù)兩個波長下測量光纖中信號的時延差，對色散數據進行擬合，綜合分析色散性能。系統集成的光時域反射儀通過后向散射法測量光信號衰減特性。矢量網絡分析儀和LCR 測試儀高低配合，對電信號衰減、串音進行精確測量，系統可滿足50Hz～3GHz 高低頻數字信號傳輸特性的分析測試。

5 系統通信與控制

計算機通過多個接口卡來與各模擬模塊以及檢測系統相連接，各測試設備之間相對獨立，具有自己的PLC 控制器和控制軟件系統，獨立控制時，控制器對模擬模塊的控制和數據采集采用RS-232 接口通訊，同時傳輸特性檢測系統通過TCP/IP 協議與機械特性模擬模塊、環(huán)境特性模擬模塊進行通信，實現遠程控制、檢測數據遠程傳輸。

6 平臺功能實現

按照設計要求，建成的采煤機光電復合纜安全傳輸性能檢測平臺實現了以下功能：

（1）滿足光電復合纜拖曳曲繞、拉伸、沖擊、擠壓的機械應力狀態(tài)模擬平臺，實現機械應力影響下復合纜的應變、損耗、色散同步檢測。模擬平臺實現最大拉伸載荷50kN，能自動繪制應變、色散曲線。

（2）平臺具備全自動分析采煤機光電復合纜線芯結構參數和光纖幾何參數，對光纖波長1100 ～1650 nm 范圍傳輸的數據變化和相互作用，分析線芯結構、包層直徑、截止波長、模場直徑等光纖參數的能力。

（3）平臺具備大電流模擬加載，最大試驗電流：3000A；系統容量30kVA，檢測溫度和放電效應對復合纜電氣和光纖數據傳輸的影響，模擬過載大電流產生的高溫、沖擊電壓等綜合電氣環(huán)境，檢測電氣和光信號數據傳輸的穩(wěn)定性。

（4）平臺數字化比較分析礦用裝備光電復合纜光電傳輸特性、機械應力應變，電氣特性多元關系，綜合模擬智能綜采工作面的環(huán)境和復合纜運行狀態(tài)，滿足采煤機光電復合傳輸安全性和可靠性的綜合檢測能力。

7 應用與展望

采煤機光電復合纜安全傳輸性能檢測平臺建成并在上海礦用設備檢測中心進行驗證和數據比對測試，總體性能達到設計要求，不僅各單項傳輸性能指標滿足現行國家標準規(guī)定的采煤機電纜和光纖傳輸特性測試方法要求，在煤礦用線纜動態(tài)敷設仿真以及光電復合傳輸特性檢測等方面實現了突破和創(chuàng)新，提升了檢測檢驗能力。通過推廣和成果轉化，試驗平臺將在多方面發(fā)揮重大作用。

（1）國家對礦用裝備線纜產品實行安全準入，采煤機光電復合纜安全傳輸性能檢測系統能對礦用裝備線纜的光電復合傳輸性能進行電氣和光信號復合傳輸的安全性進行分析驗證，滿足此類產品安全分析驗證能力與生產技術的同步發(fā)展。系統也可為質量監(jiān)督部門和煤礦用戶提供礦用裝備線纜在光電傳輸性能方面的質量評價和性能分析。

（2）采煤機光電復合纜還沒有統一的國家和行業(yè)標準，相關標準化工作需要大量檢測和試驗數據作為支撐。由于采煤機光電復合纜敷設環(huán)境和動態(tài)傳輸的特殊性，需要采煤機光電復合纜具備符合環(huán)境敷設要求和可靠性能，礦用裝備線纜光電復合傳輸檢測系統綜合分析礦用裝備光電復合纜在復雜敷設環(huán)境以及拖曳曲繞狀態(tài)的傳輸特性，對產品標準化提供相應的測試數據和驗證方法。

（3）系統對采煤機光電復合纜的研發(fā)和性能分析提供實驗驗證手段。幫助企業(yè)進行產品的研發(fā)和品質升級，推動礦用裝備線纜產業(yè)的良性健康發(fā)展，為煤礦的綠色智能化開采提供高品質、高安全性產品發(fā)揮重要作用。采煤機光電復合纜在給綜采設備提供動力電源的同時，又具備光信號傳輸和自測控能力，大范圍移動過程中同步電氣傳輸和測控光信號傳輸，實現智能化動力和測控功能，豐富了礦井智能化開采和測控手段，提升礦井開采技術的綠色化和智能水平。