淺談煤礦高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)的研究

摘要:本文介紹了礦井高壓動(dòng)力電纜絕緣故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用，分析了煤礦高壓供電系統(tǒng)作為高危行業(yè)的特殊性要求，供電系統(tǒng)高壓電纜在線監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)的絕緣狀況、實(shí)現(xiàn)預(yù)警、故障定位、接地選線功能，是供電管理的重要技術(shù)手段，闡述了系統(tǒng)特點(diǎn)及先進(jìn)性，實(shí)踐表明在系統(tǒng)應(yīng)用提高了企業(yè)機(jī)電管理人員電力系統(tǒng)的監(jiān)管水平，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞:電纜絕緣；預(yù)警；故障定位；接地選線

神東保德煤礦是國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司一座在山西省的大型煤炭生產(chǎn)基地，由原保德縣東關(guān)鎮(zhèn)煤礦和橋頭煤礦技術(shù)改造整合而成。井田南北走向長(zhǎng)14.0km，東西傾向?qū)?.7km，面積55.898km2。由于生產(chǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，井上、下大量應(yīng)用高壓動(dòng)力電纜，電纜運(yùn)行直接影響煤礦的生產(chǎn)，一旦發(fā)生電纜故障，勢(shì)必引起采掘生產(chǎn)、礦井通風(fēng)、排水、壓風(fēng)等生產(chǎn)系統(tǒng)事故，造成了煤礦的重大生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和其他次生災(zāi)害。目前每年做的電纜局放和耐壓試驗(yàn)，存在以下問(wèn)題:一是從根本上不能體現(xiàn)電纜絕緣水平的真實(shí)情況；二是耐壓試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)的同時(shí)也是對(duì)電纜絕緣的破壞；三是隨著礦井對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高，不能長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。

目前煤礦井上下高壓供電系統(tǒng)普遍應(yīng)用小電流接地系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測(cè)裝置均不能解決上述問(wèn)題，是煤礦供電長(zhǎng)期存在的痛點(diǎn)。為此，自動(dòng)化改造保德煤礦供電裝置，保德煤礦一直希望在供電系統(tǒng)高壓電纜故障發(fā)生之前能夠給出報(bào)警信息，形成預(yù)警系統(tǒng)，提前采取措施去除隱患，避免突發(fā)短路造成大面積停電。另外，能夠快速準(zhǔn)確選線和判斷故障位置。以下為保德煤礦高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保德煤礦高壓動(dòng)力電纜故障預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含:地面遠(yuǎn)程主機(jī)(云端服務(wù))、系統(tǒng)采集單元及各監(jiān)測(cè)裝置(含高頻傳感器)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．1 地面遠(yuǎn)程主機(jī)

地面遠(yuǎn)程主機(jī)設(shè)置在礦調(diào)度指揮中心，調(diào)度指揮中心設(shè)置一臺(tái)操控站，通過(guò)操控站對(duì)井下所有高壓電纜系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行集控和監(jiān)視。操控站分為硬件和軟件兩部分:

①硬件設(shè)備:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、顯示器等；

②軟件:監(jiān)測(cè)、控制組態(tài)軟件。

地面遠(yuǎn)程主機(jī)采用基于B/S方式的系統(tǒng)管理軟件，采用局域網(wǎng)方式與監(jiān)測(cè)裝置通信，配置裝置的參數(shù)設(shè)值，通過(guò)上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)。系統(tǒng)還附帶云端訪問(wèn)功能，通過(guò)任意一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，查看電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況、設(shè)備運(yùn)行情況以及線路告警信息等。煤礦高壓動(dòng)力電纜絕緣故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，為每個(gè)裝置分配不同的IP地址，一個(gè)裝置可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)16條交聯(lián)聚乙烯或橡套高壓動(dòng)力電纜。系統(tǒng)可在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄被測(cè)動(dòng)力電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障”的次數(shù)以及瞬時(shí)電磁暫態(tài)信號(hào)的強(qiáng)度和形態(tài)，作為故障預(yù)警、選線、測(cè)距的特定判據(jù)。

1．2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

①電流信號(hào)采樣頻率:10MHz×16路；②電壓信號(hào)采樣頻率:100kHz×4路；③電流單端故障測(cè)距范圍:≤17km(可定制)；④系統(tǒng)定位精度:±4．25m；⑤同步授時(shí)精度:10ns；⑥測(cè)試盲區(qū):≤10m；⑦電纜故障預(yù)警準(zhǔn)確率:≥95%；⑧電纜故障選線準(zhǔn)確率:≥99%；⑨與云端通信方式:無(wú)線4G、5G通信；⑩系統(tǒng)裝置通信方式:網(wǎng)口；1云端服務(wù)器:免費(fèi)3a云服務(wù)；12系統(tǒng)上位機(jī):品牌工控機(jī)；13系統(tǒng)擴(kuò)容:可支持組網(wǎng)253臺(tái)監(jiān)測(cè)單元；14系統(tǒng)供電方式:AC127V±10%；15系統(tǒng)工作環(huán)境溫度:－25~+70℃；16系統(tǒng)在線運(yùn)行:＞80000h。

1．3 系統(tǒng)采集單元

保德煤礦選擇井下1號(hào)中央變電所、2號(hào)變電所、三(下)盤(pán)區(qū)水泵房變電所、康孫62連巷變電所、五盤(pán)區(qū)井底水泵房變電所、集中巷變電所六個(gè)變電所15段母線及其母線下三芯電纜的在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式為站內(nèi)集中式監(jiān)測(cè)，在變電所低壓側(cè)選擇合適位置安裝礦用隔爆兼本安型高壓動(dòng)力電纜絕緣故障分析主機(jī)，高壓側(cè)選擇合適位置安裝礦用本安型電流采集器。

1．4 GPC電流行波探頭

GPC電流行波探頭安裝在被監(jiān)測(cè)交聯(lián)聚乙烯電纜金屬屏蔽層接地線上，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)被測(cè)電纜的暫態(tài)電流行波信號(hào)，探頭按照箭頭指示方向固定在電纜屏蔽線上，注意屏蔽線處安裝探頭之前需要進(jìn)行絕緣處理。探頭與礦用本安型電流行波采集器之間通過(guò)多芯同軸電纜連接。

1．5 GPD電流行波探頭

GPD電流行波探頭安裝在被監(jiān)測(cè)橡套電纜本體上，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)被測(cè)電纜的暫態(tài)電流行波信號(hào)，探頭與礦用本安型電流行波采集器間通過(guò)多芯屏蔽線連接。

1．6 通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)主站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)使用內(nèi)部以太網(wǎng)通道或者光纖通道通信；系統(tǒng)主站與系統(tǒng)云端利用保德煤礦綜合分站5G光纖網(wǎng)絡(luò)通信。

1．7 系統(tǒng)主要功能

①故障預(yù)警:實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)高壓電纜、接線盒、供配電設(shè)備等絕緣故障分黃色、橙色、紅色等級(jí)預(yù)警，屬于煤礦重大設(shè)備感知內(nèi)容，是智慧礦山建設(shè)基礎(chǔ)；②故障選線:根據(jù)行波原理，實(shí)現(xiàn)接地選線，可靠實(shí)現(xiàn)《煤礦規(guī)程》第453條選擇性單相接地保護(hù)，是小電流接地選線裝置的升級(jí)換代產(chǎn)品；③故障測(cè)距:利用A型測(cè)距原理，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)測(cè)距，為迅速處理故障提供依據(jù)，防止次生災(zāi)害和擴(kuò)大事故；④系統(tǒng)云服務(wù):提供足夠的用戶空間，用戶在任何時(shí)間、地點(diǎn)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)情況，系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便歷史查看；⑤當(dāng)?shù)毓δ?系統(tǒng)后臺(tái)安裝于主站內(nèi)，配置一次系統(tǒng)圖，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、選線、測(cè)距的功能、實(shí)時(shí)顯示母線電壓、一次系統(tǒng)圖故障線路閃爍、彈窗報(bào)警、聲音報(bào)警；⑥電子值班:實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，報(bào)警信息及工作狀態(tài)可通過(guò)發(fā)送短信息、APP推送至相關(guān)人員；⑦遠(yuǎn)程技術(shù)支持:7×24h遠(yuǎn)程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)故障波形輔助分析，系統(tǒng)程序遠(yuǎn)程升級(jí)；⑧歷史存儲(chǔ):實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)信息，可查詢歷史數(shù)據(jù)等。

2 高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)應(yīng)用

保德煤礦應(yīng)用的煤礦高壓動(dòng)力電纜故障預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓供電故障預(yù)警、接地選線、故障測(cè)距等，避免重大供電事故，避免因高壓供電事故引

起水、火、瓦斯等重大礦井災(zāi)害事故，解決了供電系統(tǒng)維護(hù)管理多年來(lái)的難題[2]。系統(tǒng)主要有如下好處:

①提高了礦井供電系統(tǒng)自動(dòng)化水平，有計(jì)劃地提前采取措施，保證礦井設(shè)備運(yùn)行安全，保障了電網(wǎng)的可靠供電，避免了由于突發(fā)停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。

②從故障選線、故障預(yù)警方面做到自動(dòng)化，大大提高了電力運(yùn)行人員的工作效率，原來(lái)人工查找故障點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通過(guò)安裝電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警電纜故障，節(jié)省了大量的時(shí)間和人力，提高了工作效率。

③通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，提前預(yù)警電纜故障，電纜在故障前得到處理，及時(shí)修復(fù)或切換，增加了電纜的使用壽命，節(jié)省了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。可能使用20a的使用期限有可能增加到25a甚至更長(zhǎng)，大大節(jié)省了原材料成本。

④系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，施工安裝方便，可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)重點(diǎn)站、重點(diǎn)設(shè)備、異常設(shè)備，系統(tǒng)配置靈活。不改變電纜運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)，不占用現(xiàn)有系統(tǒng)資源，在電纜接地導(dǎo)體上安裝高頻傳感器，安全可靠。

⑤采用行波故障定位測(cè)量法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜本體產(chǎn)生的絕緣薄弱點(diǎn)定位，定位精度可達(dá)±4．25m?？s短供電故障查找時(shí)間。采用高性能FPGA處理器，實(shí)現(xiàn)100Msps、14Bit分辨率的高速采樣、存儲(chǔ)。

系統(tǒng)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯、橡套等高壓動(dòng)力電纜故障預(yù)警。從故障預(yù)警、故障選線、故障測(cè)距等方面達(dá)到技術(shù)要求，提高供電可靠性，提高了運(yùn)維人員工作效率。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，電纜在故障前得到的處理，增加了電纜的使用壽命，節(jié)省了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。提高了供電線路監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，保障了電網(wǎng)的可靠供電，避免了由于突發(fā)停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)軟件平臺(tái)部署在云服務(wù)器端，操作人員訪問(wèn)方便，不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，可實(shí)時(shí)查看線路運(yùn)行情況，方便管理。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，當(dāng)電纜發(fā)生暫態(tài)故障產(chǎn)生行波信號(hào)后，高頻傳感器在5s內(nèi)可將采集到的故障信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信傳遞給上位機(jī)軟件并實(shí)時(shí)顯示故障線路和故障波形，便于值班人員快速分析處理。

3 利用故障系統(tǒng)分析解決高壓動(dòng)力電纜絕緣故障

3．1 高壓電纜的檢查

煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)中，會(huì)有開(kāi)關(guān)、保護(hù)電器等這類(lèi)關(guān)鍵部件。開(kāi)關(guān)柜的作用是保證煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的整個(gè)電路工作正常，在煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)明顯異常時(shí)通過(guò)拉合開(kāi)關(guān)柜來(lái)保護(hù)煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)。

3．2 檢查煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的變壓器

電力變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理改變交流電壓的設(shè)備，它主要由主線圈、次線圈、鐵芯組成。目前變壓器應(yīng)用非常廣泛，煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)中，變壓器很多。其中，變壓器的運(yùn)行及事故處理是十分重要的課題。

煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)在使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)突然停機(jī)。這種情況大部分都是由于變壓器問(wèn)題產(chǎn)生。變壓器可用于改變煤礦高壓電力系統(tǒng)的電壓，減少電力運(yùn)輸過(guò)程中的損耗。但是，對(duì)變壓器改造不當(dāng)，會(huì)使變壓器的散熱功能受到影響。一些工作人員為了使煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)不科學(xué)地改造變壓器。這樣的改變似乎并不符合要求。電壓增大時(shí)，雖然損耗有所降低，但產(chǎn)生熱量也較快，電纜也會(huì)變得溫度較高。排查故障時(shí)，要查看是否因變壓器工作狀況不當(dāng)而造成電纜過(guò)熱，進(jìn)一步檢查故障。另外，要解決煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的故障問(wèn)題，還需要加強(qiáng)對(duì)煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)維修知識(shí)的宣傳，促使廣大煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)用戶對(duì)煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)常見(jiàn)故障進(jìn)行更深入的了解和檢查。煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)部元器件比較脆弱，一旦發(fā)生故障需要及時(shí)維修。一般而言，只要煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，其他問(wèn)題就能很好地解決。設(shè)備核心一旦出了問(wèn)題，我們就需要花費(fèi)大量的時(shí)間去找出問(wèn)題在于哪個(gè)部件，設(shè)備的更換和維修也往往更加復(fù)雜，在維修煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的同時(shí)，嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)。為此，我們普遍使用煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的知識(shí)和故障診斷技巧，做好煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)變壓器的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的故障。

3．3 檢查高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)的工作狀態(tài)

高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)及故障處理也是現(xiàn)階段煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)檢修急需解決的問(wèn)題。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，幾乎所有行業(yè)都在努力將智能技術(shù)植入其中，我國(guó)的煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)也不例外。在這方面智能控制技術(shù)有很大的發(fā)揮空間。一是通過(guò)智能控制，自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)電機(jī)，減少人為操作，不需系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)就能停止工作，達(dá)到節(jié)省電力的目的。二是利用智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率，避免了大功率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種噪聲和有害物質(zhì)，減少了安全隱患和負(fù)面影響。當(dāng)然，智能系統(tǒng)在處理故障時(shí)，也非常有益。在煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)中，故障系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵一環(huán)。一是要加大資金投入，確保故障系統(tǒng)正常運(yùn)行；對(duì)于故障系統(tǒng)目前已經(jīng)進(jìn)行了資源配置。但是，目前，我國(guó)對(duì)煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)故障系統(tǒng)仍然重視不夠，在故障系統(tǒng)的安裝、使用、維護(hù)和管理方面還存在許多問(wèn)題。許多系統(tǒng)和裝置在安裝前未進(jìn)行試驗(yàn)，也未用于日常維修，另外，為了更好地做好煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)事故處理工作，國(guó)家在這方面也應(yīng)該加大投入和政策支持力度。在充足的資金和強(qiáng)有力的政策支持下，接下來(lái)各相關(guān)部門(mén)要大力推廣高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)，加大對(duì)高壓動(dòng)力電纜絕緣故障系統(tǒng)的扶持力度，做好相關(guān)煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的建設(shè)。做好煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)互感器設(shè)備的故障排查，處理某些故障現(xiàn)象，提高煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性，保證電力的供應(yīng)，為煤礦高壓動(dòng)力系統(tǒng)創(chuàng)造更大的效益。

4 絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

4.2絕緣故障定位產(chǎn)品

工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測(cè)儀使用，主要包括ASG200測(cè)試信號(hào)發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。

4.3絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀

絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。

5 技術(shù)參數(shù)

5.1絕緣監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

5.2測(cè)試信號(hào)發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

5.5絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀技術(shù)參數(shù)

6 結(jié)論

保德煤礦高壓動(dòng)力電纜絕緣故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的手段之一，系統(tǒng)對(duì)在運(yùn)行電壓下對(duì)電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，真實(shí)反映電纜的絕緣水平。自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下，依據(jù)大量的數(shù)據(jù)以及判據(jù)的數(shù)模分析，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用云服務(wù)功能將電纜故障預(yù)警信息上傳至多用戶云空間，設(shè)備管理人員可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，使礦井機(jī)電負(fù)責(zé)人實(shí)時(shí)了解變電站內(nèi)電纜運(yùn)行狀況信息，確定電纜運(yùn)行狀態(tài)，做到故障前的實(shí)時(shí)預(yù)警、選線和測(cè)距，實(shí)現(xiàn)電纜的狀態(tài)檢修，大大減少人工巡查。提高礦井機(jī)電管理人員電力系統(tǒng)的監(jiān)管水平，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1]王曉彪．電力電纜故障診斷與檢測(cè)技術(shù)分析[J].電子制作，2016(18)．

[2]于洋，楊伊璇．電力電纜的故障診斷與檢測(cè)技術(shù)[J]．黑龍江科技信息，2015(36)．

[3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6版；

[4］安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01版