浅谈煤矿井下6kV动力电缆绝缘在线监测系统的设计与应用

安科瑞微电网研究院 2023-05-09 987

描述

摘要：针对供电系统绝缘问题检测技术限制煤炭产量效率的问题，以某煤炭企业6kV井下供电系统为研究对象，开展了在线监测系统设计与应用工作。结果表明，系统工作稳定，满足井下电力电缆绝缘在线监测要求，降低了井下电力电缆的人力资源消耗，减少了绝缘故障排除时间，提高了煤矿内部电力设备利用率，为企业创造了更多的经济效益。

0引言

随着煤炭采掘产量和效率的不断提高，对供电系统工作的安全性和可靠性要求越来越高。目前我国煤矿综采工作面内供电多为电缆供电模式，电缆绝缘性能好坏与电缆安全可靠工作息息相关，现已引起了高度重视。煤矿井下环境较为恶劣，加之电缆长时间使用过程中的老化或者局部放电，极易出现供电电缆的绝缘老化问题，一旦服役中的供电电缆出现绝缘老化，如不能及时查找故障位置并切断绝缘老化线路，将会给煤矿井下供电系统造成较大的安全隐患。当前供电系统绝缘老化在线监测装置较少，常用的测量监测方法需要停止整个电网完成，不仅需要投入大量的人力物力，还会影响煤炭采掘工作的正常进行，限制煤炭的产量和效率的进一步提高。故此，以某煤炭企业6kV井下供电系统为研究对象，开展在线监测系统具有重要的意义。

1煤矿高压电缆绝缘检测问题概述

1.1监测方法落后且误差大

现场调研发现煤矿井下高压电缆监测方式为定期停电离线检测，采用手摇式指针兆欧表，运用直流方法对供电电缆的绝缘性进行监测。通过在电缆芯线和表皮施加高压直流电，如：2kV或者5kV，借助漏电电流计算电缆对地的绝缘性能。该监测方法存在以下问题：①停电人工检测，影响煤炭采掘工作并消耗大量人力资源。②监测的直流阻抗通过计算得到，并不一定完全反应电缆实际情况。③市售手摇式指针兆欧表的精度为10%，检测误差较大。

1.2测量精度的提升

当前存在的电缆绝缘参数在线检测装置中，需要在供电系统工作时注入检测信号，将检测信号的幅值和功率设置的较低，避免出现伤人事故。由于电力电缆存在高强磁场，会干扰检测信号和绝缘信号，导致检测较为困难。煤矿井下环境恶劣、空间窄小、湿度较大、存在较多的大型采掘设备，检测过程中存在干扰，尤其是检测器件信号处理或者算法不合理时，检测结果将会存在较大的检测误差。

2监控系统方案设计

监控系统的功能是在停止电缆电力的情况下，实时监测井下电缆系统绝缘性能参数，及时发现绝缘问题线路，能够分析绝缘状态数据及确定异常线路，以便及时确定供电系统绝缘故障。监控系统方案涉及低频电源、监控终端、CAN总线模块和监控主站等，其中信号采集模块实时采集低频电源电压及电流信号，传输至监控系统终端，进行数据处理和分析，得到电力电缆的实时绝缘电阻和电容值，之后借助CAN总线通信传输至监控主站。单个监测主站可以远程管理和控制多个故障预警终端并显示绝缘参数数值，一旦发现电力电缆出现故障，将会发出声音报警及位置显示，指导故障检修人员及时完成故障处理。

3详细设计

3.1硬件设计

3.1.1总体结构

井下电力电缆在线监测系统终端硬件架构，包括低频信号源、电压电流互感器、信号调理电路、数字量/模拟量采集电路、DSP中央处理器、CAN总线通信、键盘输入、电源、时钟、显示等模块。工作时，信号调理电路输入端为电压电流互感器，将接收得到的信号转化成A/D模块可以识别的信号进行模拟量信号向数字量信号的转化，之后传输至DSP中央处理器进行数据处理和运算。

3.1.2硬件选型

电流互感器的作用是实时监测电缆低频电流信号，选择型号为SCB2的闭环霍尔型高精度电流互感器。电流互感器的量程为0~10mA，输入电流范围为0~10mA，输出电流范围为0~25mA，满量程线性度为土0.2%，满量程精度为土0.8%，响应时间小于20uS。电压互感器的作用是实时监测低频电压信号，选择型号为霍尔电流型电压互感器，电压互感器输入电流范围为0~14mA，输出电流范围为0~25mA，测量电压范围为10~500V。模拟量/数字量转换模块作用是将采集得到的电压电流信号实时转换成数字量信号，选择型号为ADS8365的A/D模块，精度较高，具有16位并行数据传输功能，能够同时进行6路模拟量信号的同步采样与转换。DSP中央处理器选择型号为TMS320F28335芯片，支持多种语言和代码，具有较好的程序移植性。

3.2软件设计

3.2.1主程序

井下电力电缆绝缘在线监控系统主程序流程：进行系统初始化，完成资源分配之后进入测频程序，紧随其后的是A/D采样程序，完成电力电缆低频电压电流信号的采集；经过数据处理模量的运算即可得到电缆对地的绝缘电阻，对比标准电阻值，如果出现电缆绝缘电阻实测值小于标准值，系统进入报警程序发出预警，并且将绝缘电阻故障的电缆编号和实测绝缘阻值显示在操作面板中；与此同时，启动CAN总线通讯程序将电缆编号和实测阻值传输至人机交互界面。

3.2.2数据采集程序

数据采集程序实现低频电压电流信号的采集并且实时存储至DSP的存储器，其中的电压电流向量数据以向量组的形式存放。数据采集采用24个点的傅里叶算法，一个采样周期需要采集24个数据，采样过程如下：从监测终端监测得到第一轮采样信号开始进行电压和电流的同步采样，累计完成24个采样数据即结束一个采样周期，以此循环完成电力电缆系统绝缘性能数据的采集。

3.2.3数据处理程序

数据处理程序负责运算处理数字量/模拟量采集模块传输进来的数据，涉及傅里叶分解运算和绝缘电阻计算。傅里叶分解运算直接通过C语言调用自带函数库中的公式，以便提高运算的速率。通过直接调用函数的形式能够实现大计算量、高速度运算，而且调用时采用简单的C语言，保证了代码编写的速度和模块编写的效率，能够降低代码的错码率，保证程序的运行速度和准确性。

3.2.4CAN总线通信程序

监测终端检测得到的实测电力电缆绝缘电阻数值经CAN总线传输至地面变电所，通过人机交互界面进行实时显示。与此同时，监控人员根据电力电缆绝缘电阻的实测值及其变化趋势，通过人机交互界面可以发出相应的控制指令，完成电力电缆工作状态的远程控制。

3.3人机交互界面

人机交互界面作为井下电力电缆在线监控系统数据显示与远程控制的枢纽，需要进行设计开发，常用的编程语言包括VB、C语言、C++、组态软件等，其中组态软件在人机界面设计方面具有明显的灵活性和适应性的优势，故而选择组态软件进行人机交互界面的开发。监控系统主界面涉及井下电缆绝缘电阻实时数据、历史数据、变化趋势显示、报警等。监控人员可以通过观察对应编号电缆的绝缘电阻值，当某条电缆出现绝缘故障时，报警系统启动，发出故障报警信号，同时界面显示故障电缆编号，可以调取该电缆的绝缘电阻变化曲线，便于故障排查。

4应用效果评价

为了验证井下电力电缆绝缘在线监控系统设计的适用性，将其应用于某煤矿井下6kV动力电缆绝缘监测工作，进行应用效果跟踪记录。结果表明，系统工作稳定，能够很好的满足井下电力电缆绝缘在线监测功能。统计结果显示，在线监控系统的应用，降低了井下电力电缆的人力资源消耗，减少了近30%的绝缘故障排除时间，提高了近15%的煤矿内部电力设备利用率，预计为企业新增经济效益约150万/年，取得了很好的应用效果。

5绝缘监测及绝缘故障定位产品

5.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪