矿用高压电缆绝缘性在线监测技术研究

李三旦

(西山煤电集团公司 屯兰矿，山西 太原 030200)

0 引言

近年来，随着我国煤矿生产机械化和自动化程度的提高，井下用电设备的数量和功率都有了较大提升，相应的用电负荷增大，高压输电线路铺设总长度加大。稳定的电力供给是保证煤矿安全、高效生产的前提，而输电线路受井下复杂工况环境影响，容易出现各种电力事故，轻则造成设备运行不稳定，重则引起人身触电、火灾、爆炸等重大事故。采用高压输电线路的绝缘性在线监测等措施可显著降低该类事故的发生概率，且可提高采煤机械设备的连续稳定运行时间。传统的高压线路绝缘性监测技术对电力连续供给影响较大，操作复杂，且效率较低、精度有限，不便于在线监测[1-3]，针对这一问题，本文将对矿用高压电缆绝缘性在线监测技术进行研究。

1 煤矿井下高压电缆分布

图1为煤矿井下典型供电网络图，地面6 kV高压线由主电缆输送至井下各中央变电所，然后分别向井下车场、变流设备、通风设备和主水泵等供电，因此6 kV高压线的分布层级多，走线距离长。作为井下电力供给系统的重要组成部分，高压线缆的工作状态对各种电气设备的工作稳定性具有显著影响，而当线缆出现故障时，单纯依赖人工巡线进行故障查找和排除显然无法满足现代化生产要求。

2 煤矿高压电缆绝缘性损伤原因

绝缘性损伤是煤矿高压电缆的常见故障之一，表现为单相漏电、两相或三相短路，其损伤原因可概括为以下几点[4-7]：

(1) 机械性损伤。井下作业环境复杂，巷道周边围岩和支护元件等容易发生坠落，砸伤电缆；另外，井下的煤炭输送机、转载机等运输设备较多，在与线缆的碰撞和反复摩擦中，也容易引起电缆绝缘层破损。

(2) 绝缘层老化加速。一方面，当输电线路载荷过大时，线芯发热严重，从而引起外部橡胶等绝缘物发生热损伤；另一方面，井下湿气大，且包含多种腐蚀性介质，也会加速电缆的老化。

(3) 强电场损伤。电缆生产过程中，其绝缘层中不可避免地夹杂有气泡和微裂隙等，后期的机械损伤也会产生线缆表皮损坏，此时，井下的湿气和水分等侵入绝缘层内，并在线芯的强电场作用下发生电化学反应，绝缘层出现树枝老化。实践表明，高压电缆的使用寿命和绝缘性与其树枝老化程度密切相关。

图1 煤矿井下典型供电网络图

3 高压电缆绝缘性监测原理

对于高压电缆的绝缘性监测，常用方法包括直流叠加法、工频叠加法和低频叠加法等，其中直流叠加法可对同一变压器下各支路电缆的对地绝缘电阻值进行测量，但该方法无法检测线路的对地分布电容，因此检测精度有限；工频叠加法操作简便，可同时检测电缆的对地绝缘电阻和分布电容，但缺点是灵敏度较低，误差偏大；低频叠加法经过不断发展和改进，其测量方法和精度都可满足当前对电缆绝缘性的在线监测要求，因此以下将对该方法的具体监测原理进行研究。

对于煤矿井下常见的6 kV高压三相交流输电系统，低频叠加法对电缆绝缘性监测原理如图2所示，其中Ra、Rb、Rc和Ca、Cb、Cc分别为被测电缆的对地绝缘电阻和对地分布电容。在母线侧通过三相阻抗器SK设置接地中性点，同时隔离设置低频电压信号源AC。信号源AC可在其二次侧感应出低频电压信号，并经三相阻抗器SK注入输电网络，然后经被测电缆线、电缆对地阻抗和容抗等流向大地，并流回感应信号源，形成完整的低频信号闭合回路。通过在电缆上套装电流传感器，以及在低频电压信号二次侧安装电压传感器，可对低频电流和电压信号进行检测，然后运用矢量方程计算得到电缆对地电阻和电容。

分析认为，以上低频信号单相回路可简化为如图3所示的等效回路，其中，LD为三相电抗器的等效阻抗，LX为电缆分布阻抗，R、C分别为被测电缆的对地绝缘电阻和绝缘电容，则该回路的综合绝缘阻抗Z可表示为：

(1)

图2 低频叠加法对电缆绝缘性监测原理图

图3 低频信号单相等效回路

式(1)经简化可得：

(2)

Z=Ai+jBi.

(3)

其中：Ai和Bi分别为综合绝缘阻抗Z的实部和虚部。

式(1)中有LD+LX、R、C三项未知数，传统计算方法中一般忽略第一项未知数影响，由此造成计算误差，而通过向电网中注入频率分别为f1、f2的低频信号，可避免此情况发生。通过测量两种信号对应的电参数，可得以下方程组：

(4)

求解以上方程组，可得被测电缆的对地绝缘电阻R和绝缘电容C：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中的A1、A2、B1、B2可由互感器测得的低频电压和低频电流信号经全波傅里叶求和处理求得。生产实践中，为保证数据的可靠性，一般采集多组数据计算，然后对所有结果利用最小二乘法等进行处理，以提高计算精度。

4 电缆绝缘性在线监测系统设计

如图4所示，高压电缆绝缘性在线监测系统一般由低频信号源、电压传感器、电流传感器、信号调理电路、A/D转换电路、处理器及报警电路等模块组成。其运行原理如下：低频信号源产生两种特定频率的低频信号，并由中性接地点注入被测电网，然后电网中的电流和电压传感器采集被测电缆的电参数信号，再经陷波、滤波、放大、整流等信号调理，可得到相应的低频信号，然后对该模拟信号进行A/D转换，再由处理器对该数字信号进行后处理计算，最终再将处理结果以图像或声音等形式播放，为操作人员提供被监测电缆的对地电阻和电容值。

图4 高压电缆绝缘性在线监测系统组成

以上各硬件单元的设计和选型如下：

(1) 低频信号源。对于井下高压电网，测量信号不可避免地会受到谐波信号的干扰，为便于准确、方便地对测量信号进行提取，选择低频信号时应尽量采用与工频信号50 Hz频率差别较大的信号，结合实际需求，最终选择5 Hz和9 Hz两种。为保证对两种低频信号的有序测量，一般以30 s为间隔循环交替发送以上两种信号，并且在间隔点向所有测量单元发送频率变换信号，以实现系统各部分的协调统一。

(2) 电压传感器和电流传感器。由于采用的低频信号强度较弱，为保证采样数据准确，应从传感器的量程和精度两方面进行选择。本系统选择HV03-10霍尔电压传感器，量程为10 V～500 V；选择SCB2霍尔电流传感器，量程为0 mA～50 mA，精度±0.8%，响应时间>0.02 ms。

(3) 信号调理电路。首先，为分离出输入的低频信号，应将高频谐波和工频信号进行滤除，采用具备正反馈调节的双T工频陷波电路完成，可使高频信号幅值衰减98%以上。然后，进行低通滤波处理，主要是对陷波完成后信号中的耦合高频信号进行抑制，以达到降噪效果，在此采用二级巴特沃斯低通滤波电路来实现，10 Hz以下的低频信号的通过性较好，30 Hz以上的高频信号的抑制率较高；最后，对获得的低频信号进行放大，以便于后期A/D转化处理，放大倍数依据信号强度而定。

(4) A/D转换电路。A/D转换电路可将低频模拟信号转化为数字信号，方便进行数学逻辑运算。本系统采用的A/D转换器为16位高精度ADS8365转换器，其精度高，响应快，可满足在线监测要求。

(5) 处理器及报警电路。为满足对大量数据的连续处理要求，采用性能较为稳定的工业用TMS320F28335微处理器，除按预设程序进行逻辑运算外，该芯片还集成了定时器、CAN总线等模块。另外，该处理器连接控制按键、显示器、报警装置等外部电路，可对各被监测电缆的绝缘情况进行显示或报警。

5 结论

高压电缆是煤矿井下重要的电力输送设备，通过对电缆的绝缘性在线监测，可实时掌握电缆工作情况，保证电力供应稳定。本文针对高压电缆在井下的分布特点，首先分析了其绝缘性损伤原因，并对高压电缆绝缘性在线监测方法和相关参数计算公式进行了研究，在此基础上，进一步提出了电缆绝缘性在线监测系统各硬件单元的设计和选型方法等，对煤矿电缆绝缘性监测系统的建立具有积极指导意义。