矿用高压电缆运行状态在线监测技术研究

【摘要】 随着煤矿现代化技术的发展，矿用高压电缆作为井下电能传输的重要工具，其可靠性直接关系到煤矿电网的正常运行，所以开展矿用高压电缆的在线监测具有重要的意义。本文矿用高压电缆为研究对象，介绍了我国井下电力网络的状况，分析矿用高压电缆故障原因及类型，以数字信号处理器（DSP）为核心设计矿用高压电缆在线监测系统，对绝缘电阻监测电路、温度监测电路和CAN通讯电路进行详细设计。

【关键词】 煤矿 高压电缆 监测

煤炭是我国能源的主体，在能源生产和消费中占有重大比例，预计在未来一段时间内煤炭在能源结构中的主导地位不会动摇。但我国煤矿开采条件复杂、地质灾害严重，煤矿安全生产事故较多，并且事故造成大量人员伤亡和财产损失。我国煤矿电力系统多采用变压器中性点不接地的供电方式，电能的传输主要依靠电缆，所以矿用电缆是煤矿电网的重要组成部分，肩负着井下电能可靠传输和供电系统安全的重任。因此研究矿用高压电缆的故障类型，开发矿用高压电缆在线监测系统，对于提高煤矿电网的安全性和可靠性、避免造成停电事故的安全隐患，减小停电事故的总数及停电时间、保障井下安全生产工作的顺利开展具有重要的理论意义和现实意义，同时也可以为矿用高压电缆故障诊断与预警技术的发展奠定基础。

一、矿用高压电缆

根据井下的生产环境，矿用高压电缆的故障原因大致可以分为绝缘老化变质、机械损伤、过电压和过热。绝缘老化变质：长期的高压作用使绝缘介质损耗增大、强度降低导致电缆的绝缘强度下降。机械损伤：电缆受井下器械碰撞、煤块砸击及移动扭曲，导致其表面层损伤及内部绝缘受到挤压破坏。过电压：由于内部过电压与大气之间的作用使得电缆绝缘层击穿。过热：由于电缆绝缘内部气隙游离造成的局部过热和长期工作再过负荷状态、安装处电缆密集或散热条件差导致的过热。

二、矿用高压电缆监测系统设计

矿用高压电缆监测系统主要完成电缆运行信息实时监测，通过高精度传感器对表征电缆的性能指标的绝缘电阻和温度变量进行实时采集，然后经过信号调理后传送给数字信号处理器（DSP），DSP对信号进行计算分析后通过CAN通讯电路发送给上位机，上位机在开发的监测系统界面上将电缆实时参数和状态显示出来，同时系统具有声光报警功能，监测系统结构图如图1所示。

图1 矿用高压电缆在线监测系统结构图

2.1 绝缘电阻监测电路设计

电缆绝缘电阻在线实时监测技术通常选用叠加直流电源的方法，监测时断开电缆的接地线，在接地线上串联一个取样电阻，根据取样电阻两端的电压来计算电缆的绝缘电阻值。但煤矿安全规程中明确规定：井下接地线的接地电阻小于1Ω，所以叠加直流电源的方法不能满足煤矿井下高压电缆监测系统的需求。所以采用通过三相电抗器叠加低压直流电压的方法进行在线监测，如图2所示。因为井下电网可靠性低、容易出现电压波动，一旦交流电压传入直流电源中容易造成电源烧毁，甚至导致煤矿瓦斯爆炸等事故，所以在电路中设置50Hz陷波器和低通滤波器，保证电路中只有直流电通过，隔断交流信号，保证监测系统的安全性。监测过程中直流电源叠加在电缆的绝缘上，选择电阻R8和R9扩大绝缘电阻的监测范围。

2.2 温度监测

矿用高压电缆温度在线监测理想状态是能够直接测量到电缆的线芯温度，但监测过程中电缆处于工作状态，温度传感器无法直接接触电缆的线芯。为了保证煤矿电网安全，不改变现有的供电环境，监测时直接将温度传感器设置在每一相电缆的绝缘表面和周围的环境中，测量电缆表面和环境温度，然后计算出电缆线芯的温度。监测系统选用DS18820型温度传感器测量温度，传感器将温度信号转换成串行数字信号经过信号驱动放大和光电隔离后发送给DSP进行计算，得到矿用高压电缆的温度值。

2.3 CAN通信电路设计

监测系统选用CAN通讯技术作为TMS320F2812与上位机之间的通讯工具。因为DSP内部具有增强型eCAN通讯模块，电路设计时省去了CAN控制器的设计环节。选用具有隔离功能的CAN收发器，将DSP的CAN收发信号引脚CANTX和CANRX与CTM8251T的RXD和TXD引脚相连接，CTM8251T的CANH和CANL引脚与CAN物理总线相连接，CAN通讯电路如图3所示。

为了增加电路抗干扰能力，在CANH和CANL之间串联一个匹配电阻。

图3 CAN通讯电路

三、结束语

本文在分析矿用高压电缆故障原因和故障类型的基础上，设计了矿用高压电缆在线监测系统，包括绝缘电阻监测电路、温度检测电路和CAN通讯电路，监测系统稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强，同时还具有声光报警功能，对于保障煤矿电力系统安全运行和预防矿井火灾事故具有重要的意义。

参 考 文 献

[1] 陈巧勇.交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究[M].武汉大学图书馆，2003.8；

[2] 谢安生，郑晓泉，李盛涛等.XLPE电缆绝缘中的电树枝结构及其生长特性[J].高电压技术.2007，33（6）：169-173；

[3] 闫雪松.矿用电缆故障检测的低压脉冲的DDS实现技术[J].黑龙江科技信息，2010，（1）：43-54.