高压电缆绝缘在线监测与诊断系统研究.docxVIP

? ? 高压电缆绝缘在线监测与诊断系统研究* ? ? 刘亚伟 (山煤国际能源集团股份有限公司煤业分公司，山西 太原 030006) 0 引 言 近年来，煤炭需求量不断增加，煤矿开采向着更深的方向发展[1]。煤矿供电系统是保证煤矿安全开采的关键组成部分，煤矿巷道布置有四通八达的电缆，承担着在煤矿井下的电力输送任务。由于煤矿井下空气中存在腐蚀性气体和有毒有害气体，时常会遇到水的浸泡、冒顶和人工拖动等情况，电缆的绝缘性能会受到严重影响，甚至有可能引发电缆的短路，从而造成煤矿事故[2]。 对高压电缆进行绝缘性能检测是为了及时发现电缆及附件的老化损害情况，判断及预测高压电缆的使用寿命，电缆绝缘检测和故障诊断对于保证供电系统的可靠性具有重要的研究意义和价值。 目前，国内煤矿电缆绝缘检测主要是停电检修，采用的方式是对已经存在故障的电缆进行及时更换，存在工人劳动强度大、更换效率低、电缆检测成本高等问题，对出现问题的电缆进行绝缘性能检测，使用的检测设备比较落后，多次检修导致资源和人力的浪费[3]。国内在煤矿电缆方面的检测技术不成熟，容易受到外部磁场的干扰，测量的误差较大，参考价值不大[4]。 国内现有的高压电缆绝缘性能检测主要有两种方式：破坏性检测和非破坏性检测。破坏性检测需要将电缆的某一段提取出来对存在缺陷的部位进行高压击穿，从而检测电缆的绝缘性能，检测后的电缆无法再次投入使用。非破坏性检测，就是在电缆正常工作的情况下，通过使用外部的电缆绝缘性能检测设备对电缆进行检测，不会影响电路系统的供电。目前，非破坏性的电缆检测设备主要有：带电电缆识别仪、可以检测电缆中电流的方向和电压幅值、电缆的阻值等，荷兰利用PD检测法并设计了高频PD新型检测仪进行电缆检测。 现有的非破坏性检测方案是通过将电流采集环套入待测电缆进行检测，但是在煤矿井下高压电缆自重比较大，有些电缆布置在墙面上没有预留足够大的穿线空间，导致传统的高压电缆绝缘检测方法受限，应用范围较小。 笔者通过对煤矿高压电缆常见故障和类型进行分析，设计了煤矿高压电缆绝缘在线监测和诊断系统方案，快速获取高压电缆的运行状态，避免盲目检修，降低了实际工人检测的成本和时间，减少事故的发生率，保证煤矿高压电缆的安全运行和煤矿供电系统的可靠性。 1 高压电缆绝缘在线检测系统总体方案设计 1.1 煤矿电缆基本结构与故障分析 煤矿井下，从中央变电所到各个移动变电站的距离由有的是0.5 km，有的是10 km，距离比较长，同时在巷道中布置有大量的电缆[5]。煤矿高压电缆需要输送的电压一般都是上千伏，与平日里家用漆包电线不同，图1所示为煤矿高压电缆结构。 图1 煤矿用电缆结构图 高压电缆的主要用途用于输送额定电压为6/10 kV的高压电。图1可看出，煤矿井下电缆结构比较复杂，内外包括很多层，受到煤矿井下空气中腐蚀性气体和恶劣工况的影响，煤矿高压电缆常见问题主要有以下几类。 (1) 机械损伤 煤矿电缆铺设过程电缆拉扯踩踏等，电缆表面的绝缘层会受到损伤，顶部掉落的煤块或相关运输设备在电缆上方移动等对电缆造成挤压，表面会产生一定的损伤。 (2) 绝缘层老化变质 电缆长期在高压作用下工作，受到伴随着高压作用带来的机械作用和化学作用，某些腐蚀性气体与表面绝缘层材料反应，导致绝缘层老化变质，导致电缆的绝缘性能降低。 (3) 过热 电缆主要作用是用于输送电力，煤矿机电设备基本上都是大功率设备，当功率较大时会引起电缆发热。电缆内部气隙出现不均匀分布，导致在某个局部位置过热，或者通风不良等原因，导致电缆自身电阻过大产生发热。 电缆出现故障会出现温度升高、电缆绝缘电阻值变化和泄漏电流值突变等，表1所列为煤矿高压电缆绝缘性能检测参数和指标。 表1 煤矿高压电缆绝缘性能检测参数与指标 1.2 在线监测系统总体方案设计 煤矿高压电缆绝缘在线监测系统不仅需要满足对高压电缆的基本监测和诊断功能，同时需要满足煤矿井下环境要求等，具体功能要求如下。 (1) 诊断系统能够准确、实时、在线监控电缆的各种状态参数变化，能够显示电缆接线盒的各种状态参数变化并迅速做出反应。 (2) 具有良好的可视化性能，直观清晰展示电缆的运行状态，通过采用直观的图表或曲线展示电缆内部电流或电压等参数的变化。 (3) 具有分析功能，系统对电缆运行故障进行综合评判，对电缆进行智能化诊断和分析。根据以上要求，总体方案设计如图2所示。 图2 总体方案 煤矿高压电缆绝缘在线监测与故障诊断系统主要由数据采集模块、网络通讯模块、数据处理分析模块、上位机显示模块组成。通过电压互感器、电流互感器、温度传感器采集电缆运行状态，并通过数据采集与分析处理模块对采集到的物理信号转变为电信号，在线检测模块通过RS-485总线联系，最后通过以太网与上位机监控系统界面联系，实现对远程在线监控。相比于现有的