高压电缆绝缘状态在线监测及诊断系统的设计

陈国龙

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同 037034）

在煤矿生产中，煤矿供电网络是确保生产正常的基本条件，由于矿井下部存在较大的粉尘，且环境潮湿，电缆外部所具有的绝缘性逐渐降低，形成了一种绝缘缺陷，导致了电流击穿，最终导致供电网络出现大区域内断电。目前，国内煤矿尚不具备有效的监测手段来监测矿井下电缆，日常维护也少，对发生绝缘老化、破损的电缆无法及时更换，最终导致断电事故的产生。因此，对矿井下电缆设备的绝缘状态进行研究，设计出一种有效的监测系统及方法，当电缆的绝缘性能持续降低到某种程度时，可以及时发出预警信号，对矿井生产的安全性有着十分重要的意义。本文通过对电缆的局部放电机制进行分析，明确局部放电信号的检测及去噪技术，并提出了一种实时在线监测系统，解决了煤矿高压电缆的绝缘监测及诊断问题。

1 电缆局部放电及检测

1.1 电缆局部放电机理

目前煤矿所运用的电缆大部分都是交联聚乙烯电缆，在使用的过程中电缆极易受到外界因素的影响而出现绝缘老化，在逐渐老化的过程中可以划分为局部放电、电树枝两种老化和绝缘击穿。在刚刚老化的过程中，局部放电量可以达到0.1pc，当出现绝缘击穿的时候，放电量可以达到1000pc，因此，通过采集局部放电信号，可以较好地判断出电缆发生老化的程度。

在加工与应用电缆的过程中，其所运用到的材料会发生绝缘缺陷，例如毛刺等，而在发生缺陷的部位极易出现局部放电。此外，气隙也是最常见的一种缺陷，当电缆传输高压电的时候，气隙部位会形成极大的电场强度，而与绝缘层相比，气隙部位要具备更强的击穿强度，因此，气隙部位会形成局部放电。

1.2 局部信号检测

局部放电过程会伴随着物理及化学类变化而不断变化，通过对这些信号进行有效的监测，可以推测出局部放电量。目前，对局部放电量进行检测的方法主要包含以下几种：差分法、电感电容耦合法等。

差分法的作用机理详见图1，将铂电极配置在电缆金属护套的两侧，以此来形成一个桥式电路，形成一个脉冲耦合装置，运用阻抗Z 来对局部脉冲信号进行测量，以此来判断出局部放电量。通过运用这种方法可以确保外界干扰得到最大限度地降低，避免因井下噪声冲击所造成的数据波动。利用接线盒将电缆进行连接时，可以采取电磁偶合法，不需要与高压电缆相接触，通过运用接地线可以取得局部放电信号，但是由于接地线十分容易受到外界因素的影响，因此，采集电路应当具备较强的抗干扰和去噪能力。

图1 差分法检测局部脉冲

2 信号去噪研究

由于煤矿下的地质条件过于复杂，为了确保数据的准确度，必须一定的去噪技术对采集信号实施处理。矿井电缆的局部放电信号基本都是被电磁噪声所干扰，其中包含了两种噪声，分别为白和窄带，运用小波分析可以将这些干扰进行清除。

小波阈值去噪的操作十分简单，且计量量相对较小，可以应用于数据需要实时处理的系统。去噪过程包含了三个环节：①小波分解，可以将最初采集到的信号进行此类分解，得到了各个层级的小波系数；②阈值作用，选择阈值确定法，将每一个层级的小波系数阈值进行明确，并利用该数值来清除信号之中的噪声信号；③小波重建，对系统之中的小波系数进行相应的处理，依据小波系数来对采集信号进行处理，最终得到噪声清除之后的信号。阈值确定法中最常见的方法为长对数、似然估计等，本文所运用的为极小化极大方差阈值法，公式为：

式中：σ——噪声标准差估计；

N——小波系数的个数。

3 在线监测系统设计

3.1 监测系统整体设计

本文所设计的煤矿高压电缆绝缘在线监测系统的构造详见图2，该系统主要有五部分，一为电流传感器、二为信号调理电路、三为数据采集单元、四为光纤传输单元、五为上位机。电流传感器的安装部位处于电缆接地线的外部，其作用在于对局部脉冲信号进行测量；数据采集单元配置在被测电缆的周围；信号调理电路安装在采集板块的内部前置环节，其作用在于对信号的滤波及放大等实施预处理，处理器单元的功能是对信号实施数字化处理及去噪。光纤传输板块包含了两个部分，分别为光电转化与光纤传输线，其中转化与采集模块相互连接，将电信号转化成为光信号，利用光纤线可以将信号传输到信息传输板块。信息传输板块的安装部位在煤巷监控站内，其作用在于接收光纤信号，同时可以利用串口通信将数据信息及时传输到地面上位机，实现数据的进一步分析，通过电缆的局部放电信号来计算出电缆绝缘层的老化状态，如果老化程度超出了标准值，系统将会发出警报信号，此时操作人员需要及时更换老化电缆。

图2 电缆绝缘在线监测系统结构示意图

3.2 采集模块设计

根据各个模块具有的功能可将监测系统划分为采集与传输两个模块，其中采集模块包括了A/D 转换单元、电流传感器等多个单元。

电流传感器的功能在于对局部脉冲信号进行检测，为了确保测量的精确度，系统采取高频脉冲电流传感器。传感器使用环形磁性材料，当高频脉冲经过线圈之时，电流传感器将会形成一种电压，进而得到一种电流波形，用来对信号进行处理及分析。采取电流传感器对脉冲信号进行检测，可避免侵入高压电缆，且线性度较高，使用和安装便捷，可以满足脉冲信号的测量需求[1]。

局部脉冲信号具有较宽的频率范围、较小的幅值，对数据的分析及去噪有着极大的影响，因此，当电流传感器收集到脉冲信号之后，需要开展有效的前置处理，确保采集信号具有的电压与数据转换单元的输入电压相满足，同时对信号实施处理。脉冲信号具有的电压处于mV 级别，脉冲频率处于10kHz 上下，本文在对脉冲信号实施调理之时所运用的芯片为AD811芯片。

A/D 转换模块的构成芯片为AD8138 芯片，将信号调理电路输出的模拟信号作为一种差分输入信号，确保转换过程中可以免受外界因素干扰。采集单元的处理器则选择了 FPGA 芯片，其型号为EP1C12240C8，其功能主要是承担了参数配置、数据储存和逻辑控制等。

采集模块中最小系统有着较高的处理速度，但是内存相对较小，当采集数据较多、通信模块发生故障无 法完成数据的传输时，系统内存将会迅速被占满，采集模块将会停机，而且采集数据将会写入到RAM 区域，极大降低了系统运算的速度、减少了内存的使用寿命，为了有效处理上述问题，需要在最小系统的外部扩展储存模块，用来数据的采集及储存，系统芯片为IS6ILV，容量为512 k x 16 位，可以实现数据的储存需求。

3.3 光纤传输模块

由于矿井下条件较为复杂，外部存在严重的干扰及噪声，为了确保信号传输过程中不会失真，本系统利用光纤来传输数据。光纤传输可以保证各个单元之间的电气隔离，在进行长距离传输工作的过程中，信号衰减程度较小，传输速率较快，完成了远程实时监测。系统采用单模光纤传输线，光电转换模块则采用了SFP模块，传输距离的最大值为15km，传输的速率为2.5G/s，实现了信号传输的需求。

4 试验结果

在系统正式运用到现场之前，需要进行一系列的调试，对系统的实际效果进行分析。调试实验需要设置50组样本，选择使用状态处于正常的电缆，利用锤击的方式对电缆的绝缘性能进行破坏，监测系统可以对不同锤击次数形成的局部放电信号进行精确测量，结果见表1。

表1 系统试验结果表（单位：pc）

根据上述结果可知，随着锤击次数的不断增加，电缆绝缘层的受损情况也越来越严重，局部信号的放电量持续增加，证明监测系统可以实时监测电缆的绝缘状态。

5 结语

本文对电缆的老化状态进行分析，选择局部放电脉冲信号作为一个标准来评估电缆的绝缘老化状态，并设计了一个远程在线监测系统，利用小波阈值去噪法来处理脉冲信号，有助于更加精确的采集信号，通过实施监测系统所取得的数据，可以将电缆的老化程度进行真实的反映，确保井下稳定的供电。