煤矿XLPE电缆介质损耗在线监测研究

2020-04-17刘淮霞

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2020年1期

袁炜，刘淮霞

（淮南师范学院，安徽淮南 232000）

0 引言

煤矿井下电缆着火是引起井下火灾的一个重要原因。随着电网结构的不断调整和煤矿的合理规划，电缆的使用逐年增加［1］。同时随着XLPE 电缆使用时间的延长，电缆故障也常有发生，给煤矿带来很大的损失。其中，水树枝老化是XLPE 电缆绝缘老化并导致重大停电事故的最主要原因。为了保证电缆的可靠运行，避免事故的发生，对煤矿XLPE 电缆绝缘性能在线监测方法的研究尤为迫切［2］。

1 介质损耗的特征参量

介质损耗是绝缘材料的电介质在较高电压电场作用下，因介质电导和介质极化的滞后效应，在绝缘材料内部引起的能量损耗。介质损耗易使绝缘材料温度升高、老化，温升严重时会导致绝缘材料的热击穿，进而失去绝缘性能。可见，介质损耗的大小是评价绝缘性能的一个重要指标。按其性质可分为以下三种基本形式：极化损耗、漏导损耗和局部放电损耗［3］，如图1所示。

图1 XLPE电缆绝缘等值向量图

定义叠加于电缆主绝缘上的系统电压与主绝缘的漏电流的夹角Φ 的余角δ的正切值为介质损耗因数tanδ。由于tanδ是反映绝缘介质损耗的特征参量，也是衡量设备绝缘性能的重要指标，而且它仅取决于绝缘材料的介质特性，而与绝缘材料的大小尺寸均无关，因此，测量绝缘材料整体的介质损耗角正切值tanδ可以很好地判断设备整体潮湿、劣化变质状况［4］。

2 影响tanδ在线检测精度的主要因素

影响tanδ在线检测精度的因素主要有测量系统外部的干扰和测量系统本身精度及固有误差两方面［5］。

外部干扰主要分为：（1）现场各种电磁的干扰；（2）系统频率的波动；（3）环境因素的影响。

测量系统本身精度及固有误差的影响：（1）电流传感器和电磁式电压互感器的固有角差；（2）检测系统本身电子电路产生的噪声干扰；（3）数据采集卡A/D转换的量化误差。

3 数字化tanδ 测量的总体方案及硬件电路

本文设计了矿用XLPE 电缆介质损耗在线监测的总体方案，原理如图2所示。考虑到煤矿的恶劣环境，根据1Hz劣化特征信号测量的原理［6］，硬件电路主要由电源模块、取样电路、滤波模块、A/D 转换模块、CPU 处理模块、显示模块和键盘模块等部分构成。由取样电路得到的电压模拟信号先经滤波后再由A/D 转换器转换为数字信号。CPU 读取A/D 转换器的数据进行运算，通过键盘选择要显示的内容。

图2 XLPE电缆介质损耗在线监测方案

根据在线监测的要求，从经济和技术上对电流、电压传感器进行了合理选择［7］。电流信号来自电缆的屏蔽层接地线，使用单匝穿心无源式传感器获取。电压信号取自电压互感器（WB 系列无源交流隔离传感器），经过传感器隔离降压获得。设计了必要的保护电路，信号放大电路能进行高精度的程控放大。信号的放大由放大倍率可选的前置放大电路和程控衰减电路共同组成，设计了合理的放大倍率档次间隔，使信号在满足A/D 转换的要求的同时，又满足整个监测系统精度的需求。在不改变电力系统接线方式的前提下，实现对电缆绝缘的在线监测。这样可避免与被测系统有直接的电气联系，保证测试装置的电气安全性。另外，在硬件方面设计放大滤波电路用来对信号进行放大滤波处理。对已有的硬件系统采用完善的屏蔽和接地措施能够提高系统抗干扰性能。对采集到的数据进行处理，并采用基于准同步算法的谐波分析法来提高系统测量的精度、稳定性和抗干扰能力［8］。

4 软件设计方法

基于直观、简捷的人机交互界面的考虑，选择Microsoft Windows 9X/2000/XP 操作系统，采用SQL Server 2000 数据库保存和管理在线监测数据，使用Visual Basic 面向对象程序设计语言编程，实现了对电流电压信号的程控放大、控制数据采样和存储［9］。软件系统总体构架如图3所示。

图3 软件系统总体框图

软件系统的设计主要分为系统设置、数据采集、数据处理和远程通讯四个部分，并采用ODBC接口使每部分与数据库之间进行数据传输。在线监测系统中各系统参数和设备参数的设置主要由系统配置部分完成，保证系统的可扩充性。待监测模拟信号的程控放大，现场通道控制，以及A/D转换主要由数据采集部分完成。对采集到的原始数据进行分析、计算、保存和显示结果主要由数据处理部分完成。数据的远程传送和系统的远程控制主要通过远程通信完成［10］。在线监测主程序流程图如图4所示。