矿用电缆故障诊断系统的设计

程志明

（西山煤电西铭矿，山西太原 030052）

0 引言

煤矿高压线缆在运行过程中，容易受到热力、挤压、拖拽等外界环境的影响，使线缆出现不同种类的故障。在矿井线路的检修方法中，一般选择定期检修。在矿井工作强度较低的时间段内，停止所有电气设备的供电，进行隐患排查，并替换掉出现故障的线路。这种方法的缺点是实时性差，影响煤矿的正常生产。因此，有必要研究一套电缆故障诊断系统，通过对井下电缆的状态进行实时监控，判断是否出现故障，及时排除故障以保证煤矿生产的正常进行。本文设计的电缆故障诊断系统以stm32为核心，通过对井下故障的特征进行分析，确定故障判断的监测要素，设计硬件电路和软件实现方法，实现电缆故障的在线诊断。

1 矿用电缆结构分析

矿用电压等级越高，则电缆的输电效率越高，可以向井下设备输送更多的功率。根据煤矿电力建设的经验可以得知，不同等级的电压用于不同的电气设备，电压等级不同，电缆传输功率也不同，详情如表1所示[1-2]。

以矿用采煤机MCP电缆为例，其电缆结构如图1所示。导芯的制作材料一般选择铜或铝，并在外围增加绝缘层，保证线缆中各相电能传输的独立性。屏蔽层的作用是减少外界对电能传输的干扰；绝缘包带采用阻燃材料，制作标准按照MT818—1999《煤矿用阻燃电缆》执行；填充层位于内部线缆和绝缘包带之间，可以增加电缆的结构强度，保持电缆的形状。

表1 井下常见电压等级对应用途及功率

图1 MCP电缆结构示意图

2 监测特征量确定

2.1 常用故障原因分析

煤矿井下条件复杂，电缆在运行过程中，经常会受到各种挤压、拖拽等影响，造成绝缘损坏，影响电气设备的正常运行，给煤矿的生产安全带来巨大威胁。电缆故障发生的原因主要包括：（1）线路过负荷；（2）电缆受潮；（3）绝缘外皮的损坏[3-6]。

在以上一种因素或多种因素的作用下，将会引发煤矿电缆故障。按照故障时电缆绝缘电阻的大小，可以将故障类型分为短路故障、断线故障、混合故障、高阻故障4种类型。

2.2 监测特征量提取

为实现对不同电缆故障的在线监测，需要根据每种故障类型的特征，提取特征向量，通过对特征量的在线监测，对电缆故障进行判定。常用于反应电缆故障的特征量包括温度、接地线电流、绝缘电阻。

2.2.1 绝缘电阻测量

电缆的绝缘电阻是表征电缆表面绝缘水平的重要参量，通过测量绝缘电阻的数值，可以对电缆外皮的绝缘情况进行诊断。测量电缆绝缘电阻常用的方法是直流叠加法，这种方法具有操作简单、易于实现的特点，可以用于运行中电缆的绝缘电阻检测。

通过在电缆中增加直流回路，向电缆中注入直流分量，通常直流电源的引入位置选择为接地电压互感器中性点附近。直流电压的取值为50 V[7-8]，接线方式如图2所示。

图2 直流叠加法原理

2.2.2 接地线电流测量

在三线制的高压电缆供电系统中，有1根线缆是接地的。查阅相关文献[9]可以得知，当电缆的绝缘层出现老化或者损坏时，介质损耗角正切值变大，接地电流通过的阻抗中，电容成分变多，接地电流中出现明显的增量。因此，通过对接地线缆中接地电流的数值进行测量，也可以对电缆的绝缘水平进行评估，根据不同工况下，接地电流大小判断电缆故障的方法如表2所示。由表2可知，当接地线电流大于1 mA时，需要发出警报，提示工作人员进行线路的检修。

表2 故障类型判别

3 硬件电路设计

3.1 系统总体结构

为实现对电缆故障的在线监测，本系统以stm32单片机为核心，设计相关硬件电路，实现对特征参量的检测与远程数据传输，系统总体结构如图3所示。在接地线电流检测中，由于电流信号微弱，设计放大电路，将微弱的电流信号处理成单片机可以识别的电压信号；在绝缘电阻的测量中，当线路中注入直流电压之后，通过线路中泄漏电流的大小判断绝缘电阻的阻值。为了得到更为精准的绝缘电阻阻值，设计滤波电路，滤除线路中的交流信号。

图3 系统总体结构图

3.2 主控芯片选型

主控芯片选型为stm32f103c系列芯片，该芯片是32位的ARM结构微处理器，供电电压可以选择2.0～3.3 V的电压，内部具有8 Mhz的高精度RC振荡器，可以根据工作模式的需要，选择睡眠、停机、待机3种模式，2个12位的模数转换器，满足本系统的模拟量采集需要。

3.3 滤波电路

由图2可知，当对电缆上的绝缘电阻进行测量时，电缆上不仅有直流电压信号，也会有交流电压信号，进而会影响对绝缘电阻阻值的测量。为了保证绝缘电阻检测的准确性，设计相关滤波电路，如图4所示。其中，图4（a）为双T滤波电路，可以实现对低频交流信号的滤除，主要针对工频（50 Hz）交流信号；图4（b）为串联L型低通滤波电路，可以阻隔线路中高频信号的通过，特别是各种高次谐波。

3.4 接地线电流测量电路

接地线电流是微安或者毫安级别的电流信号，不容易被单片机识别采集，需要通过放大电路进行信号处理。本系统选择OP1177系列的放大器设计电流信号放大电路，该芯片具有高精度、低噪声的工作特性，同时，对环境温度相对不敏感，在高温工作环境下仍能保持稳定的工作性能。

图4 滤波电路图

以OP1177为核心设计的电流放大电路如图5所示。由于OP1177为高精度精密器件，pcb焊接完成后，需要在其表面涂1层镀层，防止表面潮湿对器件正常工作的影响。pcb上的热源应该与放大电路保持一定的距离，信号的走线与电源线的距离保持在6 mm以上，并确保引脚长度相同，使其散热均衡。

图5 OP1177放大电路

4 系统软件设计

stm32单片机的软件编程主要通过Keil 5软件平台进行编译，通过模块化的软件设计，可以方便设计者进行软件调试。

主程序流程图如图6所示。程序开始后，首先进行绝缘电阻阻值的测量，打开40 V直流电源，测量滤波后的电缆绝缘电阻，并进行判断。当阻值小于额定值R0时，判定线缆故障，发出报警信号；当绝缘电阻大于额定值R0时，判定线缆处于正常工作状态；在接地线电流采集完成后，根据电流值的大小发出“正常”、“关注”、“警报”信号。

图6 软件流程图

5 结束语

煤矿井下复杂，用于设备供电的电缆会因为拖拽、潮湿等因素造成各种故障。通过对常见故障的原因进行分析，得出绝缘电阻测量和接地线电流测量对于电缆故障判定的方法，以stm32为核心设计相关电缆故障检测硬件系统，主要介绍滤波电路和接地线电流测量电路，通过对检测参量的判别实现故障预测。