淺談煤礦高壓動力電纜絕緣故障係統的研究

摘要:本文介紹了礦井高壓動力電纜絕緣故障監測係統應用，分析了煤礦高壓供電係統作為(wei) 高危行業(ye) 的特殊性要求，供電係統高壓電纜在線監測供電係統的絕緣狀況、實現預警、故障定位、接地選線功能，是供電管理的重要技術手段，闡述了係統特點及先進性，實踐表明在係統應用提高了企業(ye) 機電管理人員電力係統的監管水平，提高企業(ye) 經濟效益和社會(hui) 效益。

關(guan) 鍵詞:電纜絕緣；預警；故障定位；接地選線

神東(dong) 保德煤礦是國家能源集團神東(dong) 煤炭集團公司一座在山西省的大型煤炭生產(chan) 基地，由原保德縣東(dong) 關(guan) 鎮煤礦和橋頭煤礦技術改造整合而成。井田南北走向長14.0km，東(dong) 西傾(qing) 向寬5.7km，麵積55.898km2。由於(yu) 生產(chan) 係統的特點，井上、下大量應用高壓動力電纜，電纜運行直接影響煤礦的生產(chan) ，一旦發生電纜故障，勢必引起采掘生產(chan) 、礦井通風、排水、壓風等生產(chan) 係統事故，造成了煤礦的重大生產(chan) 經濟損失、人員傷(shang) 亡和其他次生災害。目前每年做的電纜局放和耐壓試驗，存在以下問題:一是從(cong) 根本上不能體(ti) 現電纜絕緣水平的真實情況；二是耐壓試驗是一種破壞性試驗，試驗的同時也是對電纜絕緣的破壞；三是隨著礦井對供電可靠性的要求越來越高，不能長期在線監測。

目前煤礦井上下高壓供電係統普遍應用小電流接地係統、絕緣監測裝置均不能解決(jue) 上述問題，是煤礦供電長期存在的痛點。為(wei) 此，自動化改造保德煤礦供電裝置，保德煤礦一直希望在供電係統高壓電纜故障發生之前能夠給出報警信息，形成預警係統，提前采取措施去除隱患，避免突發短路造成大麵積停電。另外，能夠快速準確選線和判斷故障位置。以下為(wei) 保德煤礦高壓動力電纜絕緣故障係統的設計方案。

1 高壓動力電纜絕緣故障係統設計

保德煤礦高壓動力電纜故障預警監測係統主要包含:地麵遠程主機(雲(yun) 端服務)、係統采集單元及各監測裝置(含高頻傳(chuan) 感器)，係統的結構如圖1所示。

圖1 係統結構圖

1．1 地麵遠程主機

地麵遠程主機設置在礦調度指揮中心，調度指揮中心設置一台操控站，通過操控站對井下所有高壓電纜係統相關(guan) 設備進行集控和監視。操控站分為(wei) 硬件和軟件兩(liang) 部分:

①硬件設備:工業(ye) 控製計算機、顯示器等；

②軟件:監測、控製組態軟件。

地麵遠程主機采用基於(yu) B/S方式的係統管理軟件，采用局域網方式與(yu) 監測裝置通信，配置裝置的參數設值，通過上位機通信實現遠程服務。係統還附帶雲(yun) 端訪問功能，通過任意一台聯網計算機，查看電纜在線監測係統運行情況、設備運行情況以及線路告警信息等。煤礦高壓動力電纜絕緣故障監測係統采用全網絡化設計，為(wei) 每個(ge) 裝置分配不同的IP地址，一個(ge) 裝置可實時在線檢測16條交聯聚乙烯或橡套高壓動力電纜。係統可在設定時間段內(nei) ，連續監測和記錄被測動力電纜發生“可恢複故障"的次數以及瞬時電磁暫態信號的強度和形態，作為(wei) 故障預警、選線、測距的特定判據。

1．2 係統技術指標

①電流信號采樣頻率:10MHz×16路；②電壓信號采樣頻率:100kHz×4路；③電流單端故障測距範圍:≤17km(可定製)；④係統定位精度:±4．25m；⑤同步授時精度:10ns；⑥測試盲區:≤10m；⑦電纜故障預警準確率:≥95%；⑧電纜故障選線準確率:≥99%；⑨與(yu) 雲(yun) 端通信方式:無線4G、5G通信；⑩係統裝置通信方式:網口；1雲(yun) 端服務器:免費3a雲(yun) 服務；12係統上位機:品牌工控機；13係統擴容:可支持組網253台監測單元；14係統供電方式:AC127V±10%；15係統工作環境溫度:－25~+70℃；16係統在線運行:＞80000h。

1．3 係統采集單元

保德煤礦選擇井下1號中央變電所、2號變電所、三(下)盤區水泵房變電所、康孫62連巷變電所、五盤區井底水泵房變電所、集中巷變電所六個(ge) 變電所15段母線及其母線下三芯電纜的在線監測，係統監測方式為(wei) 站內(nei) 集中式監測，在變電所低壓側(ce) 選擇合適位置安裝礦用隔爆兼本安型高壓動力電纜絕緣故障分析主機，高壓側(ce) 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測交聯聚乙烯電纜金屬屏蔽層接地線上，負責監測被測電纜的暫態電流行波信號，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行絕緣處理。探頭與(yu) 礦用本安型電流行波采集器之間通過多芯同軸電纜連接。

1．5 GPD電流行波探頭

GPD電流行波探頭安裝在被監測橡套電纜本體(ti) 上，負責監測被測電纜的暫態電流行波信號，探頭與(yu) 礦用本安型電流行波采集器間通過多芯屏蔽線連接。

1．6 通信網絡

係統主站內(nei) 通信網絡使用內(nei) 部以太網通道或者光纖通道通信；係統主站與(yu) 係統雲(yun) 端利用保德煤礦綜合分站5G光纖網絡通信。

1．7 係統主要功能

①故障預警:實現對供電係統高壓電纜、接線盒、供配電設備等絕緣故障分黃色、橙色、紅色等級預警，屬於(yu) 煤礦重大設備感知內(nei) 容，是智慧礦山建設基礎；②故障選線:根據行波原理，實現接地選線，可靠實現《煤礦規程》第453條選擇性單相接地保護，是小電流接地選線裝置的升級換代產(chan) 品；③故障測距:利用A型測距原理，實現故障點測距，為(wei) 迅速處理故障提供依據，防止次生災害和擴大事故；④係統雲(yun) 服務:提供足夠的用戶空間，用戶在任何時間、地點通過瀏覽器訪問現場的係統監測情況，係統曆史數據存儲(chu) ，方便曆史查看；⑤當地功能:係統後台安裝於(yu) 主站內(nei) ，配置一次係統圖，實現故障預警、選線、測距的功能、實時顯示母線電壓、一次係統圖故障線路閃爍、彈窗報警、聲音報警；⑥電子值班:實現無人值守，報警信息及工作狀態可通過發送短信息、APP推送至相關(guan) 人員；⑦遠程技術支持:7×24h遠程服務，實現故障波形輔助分析，係統程序遠程升級；⑧曆史存儲(chu) :實現實時存儲(chu) 信息，可查詢曆史數據等。

2 高壓動力電纜絕緣故障係統應用

保德煤礦應用的煤礦高壓動力電纜故障預警監測係統，實現高壓供電故障預警、接地選線、故障測距等，避免重大供電事故，避免因高壓供電事故引

起水、火、瓦斯等重大礦井災害事故，解決(jue) 了供電係統維護管理多年來的難題[2]。係統主要有如下好處:

①提高了礦井供電係統自動化水平，有計劃地提前采取措施，保證礦井設備運行安全，保障了電網的可靠供電，避免了由於(yu) 突發停電造成的經濟損失。

②從(cong) 故障選線、故障預警方麵做到自動化，大大提高了電力運行人員的工作效率，原來人工查找故障點費時費力，通過安裝電纜在線監測係統自動預警電纜故障，節省了大量的時間和人力，提高了工作效率。

③通過實時監測電纜的運行狀態，提前預警電纜故障，電纜在故障前得到處理，及時修複或切換，增加了電纜的使用壽命，節省了生產(chan) 運營成本。可能使用20a的使用期限有可能增加到25a甚至更長，大大節省了原材料成本。

④係統裝置結構緊湊，施工安裝方便，可長期監測重點站、重點設備、異常設備，係統配置靈活。不改變電纜運行方式和結構，不占用現有係統資源，在電纜接地導體(ti) 上安裝高頻傳(chuan) 感器，安全可靠。

⑤采用行波故障定位測量法，實現對電纜本體(ti) 產(chan) 生的絕緣薄弱點定位，定位精度可達±4．25m。縮短供電故障查找時間。采用高性能FPGA處理器，實現100Msps、14Bit分辨率的高速采樣、存儲(chu) 。

係統的成功應用實現交聯聚乙烯、橡套等高壓動力電纜故障預警。從(cong) 故障預警、故障選線、故障測距等方麵達到技術，提高供電可靠性，提高了運維人員工作效率。通過實時監測電纜的運行狀態，電纜在故障前得到的處理，增加了電纜的使用壽命，節省了生產(chan) 運營成本。提高了供電線路監測自動化水平，保障了電網的可靠供電，避免了由於(yu) 突發停電造成的經濟損失。係統軟件平台部署在雲(yun) 服務器端，操作人員訪問方便，不受時間、地點限製，可實時查看線路運行情況，方便管理。係統響應時間短，當電纜發生暫態故障產(chan) 生行波信號後，高頻傳(chuan) 感器在5s內(nei) 可將采集到的故障信號通過網絡通信傳(chuan) 遞給上位機軟件並實時顯示故障線路和故障波形，便於(yu) 值班人員快速分析處理。

3 利用故障係統分析解決(jue) 高壓動力電纜絕緣故障

3．1 高壓電纜的檢查

煤礦高壓動力係統中，會(hui) 有開關(guan) 、保護電器等這類關(guan) 鍵部件。開關(guan) 櫃的作用是保證煤礦高壓動力係統的整個(ge) 電路工作正常，在煤礦高壓動力係統出現明顯異常時通過拉合開關(guan) 櫃來保護煤礦高壓動力係統。

3．2 檢查煤礦高壓動力係統的變壓器

電力變壓器是一種利用電磁感應原理改變交流電壓的設備，它主要由主線圈、次線圈、鐵芯組成。目前變壓器應用非常廣泛，煤礦高壓動力係統中，變壓器很多。其中，變壓器的運行及事故處理是十分重要的課題。

煤礦高壓動力係統在使用過程中，有時會(hui) 突然停機。這種情況大部分都是由於(yu) 變壓器問題產(chan) 生。變壓器可用於(yu) 改變煤礦高壓電力係統的電壓，減少電力運輸過程中的損耗。但是，對變壓器改造不當，會(hui) 使變壓器的散熱功能受到影響。一些工作人員為(wei) 了使煤礦高壓動力係統長時間運轉，會(hui) 不科學地改造變壓器。這樣的改變似乎並不符合要求。電壓增大時，雖然損耗有所降低，但產(chan) 生熱量也較快，電纜也會(hui) 變得溫度較高。排查故障時，要查看是否因變壓器工作狀況不當而造成電纜過熱，進一步檢查故障。另外，要解決(jue) 煤礦高壓動力係統的故障問題，還需要加強對煤礦高壓動力係統維修知識的宣傳(chuan) ，促使廣大煤礦高壓動力係統用戶對煤礦高壓動力係統常見故障進行更深入的了解和檢查。煤礦高壓動力係統的內(nei) 部元器件比較脆弱，一旦發生故障需要及時維修。一般而言，隻要煤礦高壓動力係統的核心部件沒有出現問題，其他問題就能很好地解決(jue) 。設備核心一旦出了問題，我們(men) 就需要花費大量的時間去找出問題在於(yu) 哪個(ge) 部件，設備的更換和維修也往往更加複雜，在維修煤礦高壓動力係統的同時，嚴(yan) 重影響用戶的使用體(ti) 驗。為(wei) 此，我們(men) 普遍使用煤礦高壓動力係統的知識和故障診斷技巧，做好煤礦高壓動力係統變壓器的檢查，及時發現可能發生的故障。

3．3 檢查高壓動力電纜絕緣故障係統的工作狀態

高壓動力電纜絕緣故障係統及故障處理也是現階段煤礦高壓動力係統檢修急需解決(jue) 的問題。大數據時代的到來，幾乎所有行業(ye) 都在努力將智能技術植入其中，我國的煤礦高壓動力係統也不例外。在這方麵智能控製技術有很大的發揮空間。一是通過智能控製，自動控製開關(guan) 電機，減少人為(wei) 操作，不需係統執行任務就能停止工作，達到節省電力的目的。二是利用智能控製係統調節電動機功率，避免了大功率運行時產(chan) 生的各種噪聲和有害物質，減少了安全隱患和負麵影響。當然，智能係統在處理故障時，也非常有益。在煤礦高壓動力係統中，故障係統是其中的關(guan) 鍵一環。一是要加大資金投入，確保故障係統正常運行；對於(yu) 故障係統目前已經進行了資源配置。但是，目前，我國對煤礦高壓動力係統對故障係統仍然重視不夠，在故障係統的安裝、使用、維護和管理方麵還存在許多問題。許多係統和裝置在安裝前未進行試驗，也未用於(yu) 日常維修，另外，為(wei) 了更好地做好煤礦高壓動力係統事故處理工作，國家在這方麵也應該加大投入和政策支持力度。在充足的資金和強有力的政策支持下，接下來各相關(guan) 部門要大力推廣高壓動力電纜絕緣故障係統，加大對高壓動力電纜絕緣故障係統的扶持力度，做好相關(guan) 煤礦高壓動力係統的建設。做好煤礦高壓動力係統互感器設備的故障排查，處理某些故障現象，提高煤礦高壓動力係統的可靠性，保證電力的供應，為(wei) 煤礦高壓動力係統創造更大的效益。

4 絕緣監測及絕緣故障定位產(chan) 品

4.1絕緣監測及絕緣故障定位產(chan) 品

AIM-T係列工業(ye) 用絕緣監測儀(yi)

AIM-T係列絕緣監測儀(yi) 主要應用在工業(ye) 場所IT配電係統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chan) 品，均適用於(yu) 純交流、純直流以及交直流混合的係統。

其中AIM-T300適用於(yu) 450V以下的交流、直流以及交直流混合係統，AIM-T500適用於(yu) 800V以下的交流、直流以及交直流混合係。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(chan) 品

工業(ye) 用絕緣故障定位產(chan) 品配合AIM-T500L絕緣監測儀(yi) 使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀(yi) ，AKH-0.66L係列電流互感器，適用於(yu) 出線回路較多的IT配電係統。

4.3絕緣監測耦合儀(yi)

絕緣監測耦合儀(yi) 配合AIM-T500絕緣監測儀(yi) 使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用於(yu) 交流電壓高於(yu) 690V，直流電壓高於(yu) 800V的IT配電係統。

5 技術參數

5.1絕緣監測儀(yi) 技術參數

5.2測試信號發生器技術參數

5.3絕緣故障定位儀(yi) 技術參數

5.4 AKH-0.66L係列電流互感器技術參數

5.5絕緣監測耦合儀(yi) 技術參數

6 結論

保德煤礦高壓動力電纜絕緣故障監測係統的成功應用是實現狀態檢修的手段之一，係統對在運行電壓下對電纜的絕緣狀態進行檢測，真實反映電纜的絕緣水平。自動連續監測狀態下，依據大量的數據以及判據的數模分析，監測係統利用雲(yun) 服務功能將電纜故障預警信息上傳(chuan) 至多用戶雲(yun) 空間，設備管理人員可以實現遠程監控，使礦井機電負責人實時了解變電站內(nei) 電纜運行狀況信息，確定電纜運行狀態，做到故障前的實時預警、選線和測距，實現電纜的狀態檢修，大大減少人工巡查。提高礦井機電管理人員電力係統的監管水平，提高企業(ye) 經濟效益和社會(hui) 效益。

安科瑞侯文莉