煤礦高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)的研究

神東保德煤礦是國家能源集團(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14.0km，東西傾向寬5.7km，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(jiān)測。

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)測裝置均不能解決上述問題，是煤礦供電長期存在的痛點(diǎn)。為此，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力電纜絕緣故障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保德煤礦高壓動力電纜故障預(yù)警監(jiān)測系統(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)置一臺操控站，通過操控站對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、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)測裝置通信，配置裝置的參數(shù)設(shè)值，通過上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)。系統(tǒng)還附帶云端訪問功能，通過任意一臺聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，查看電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況、設(shè)備運(yùn)行情況以及線路告警信息等。煤礦高壓動力電纜絕緣故障監(jiān)測系統(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16條交聯(lián)聚乙烯或橡套高壓動力電纜。系統(tǒng)可在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，連續(xù)監(jiān)測和記錄被測動力電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障"的次數(shù)以及瞬時(shí)電磁暫態(tài)信號的強(qiáng)度和形態(tài)，作為故障預(yù)警、選線、測距的特定判據(jù)。

1．2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

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臺監(jiān)測單元；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號中央變電所、2號變電所、三(下)盤區(qū)水泵房變電所、康孫62連巷變電所、五盤區(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，系統(tǒng)監(jiān)測方式為站內(nèi)集中式監(jiān)測，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)測交聯(lián)聚乙烯電纜金屬屏蔽層接地線上，負(fù)責(zé)監(jiān)測被測電纜的暫態(tài)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(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)測橡套電纜本體上，負(fù)責(zé)監(jiān)測被測電纜的暫態(tài)電流行波信號，探頭與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(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換代產(chǎn)品；③故障測距:利用A型測距原理，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)測距，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)通過瀏覽器訪問現(xiàn)場的系統(tǒng)監(jiān)測情況，系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存儲，方便歷史查看；⑤當(dāng)?shù)毓?/span>能:系統(tǒng)后臺安裝于主站內(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)無人值守，報(bào)警信息及工作狀態(tài)可通過發(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；⑧歷史存儲:實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲信息，可查詢歷史數(shù)據(jù)等。

2 高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)應(yīng)用

保德煤礦應(yīng)用的煤礦高壓動力電纜故障預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓供電故障預(yù)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(zāi)害事故，解決了供電系統(tǒng)維護(hù)管理多年來的難題[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)警方面做到自動化，大大提高了電力運(yùn)行人員的工作效率，原來人工查找故障點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通過安裝電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)自動預(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通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜的運(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(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，可長期監(jiān)測重點(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量法，實(shí)現(xiàn)對電纜本體產(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。

系統(tǒng)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯、橡套等高壓動力電纜故障預(yù)警。從故障預(yù)警、故障選線、故障測距等方面達(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。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜的運(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)營成本。提高了供電線路監(jiān)測自動化水平，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)軟件平臺部署在云服務(wù)器端，操作人員訪問方便，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)生行波信號后，高頻傳感器在5s內(nèi)可將采集到的故障信號通過網(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)分析解決高壓動力電纜絕緣故障

3．1 高壓電纜的檢查

煤礦高壓動力系統(tǒng)中，會有開關(guān)、保護(hù)電器等這類關(guān)鍵部件。開關(guān)柜的作用是保證煤礦高壓動力系統(tǒng)的整個(gè)電路工作正常，在煤礦高壓動力系統(tǒng)出現(xiàn)明顯異常時(shí)通過拉合開關(guān)柜來保護(hù)煤礦高壓動力系統(tǒng)。

3．2 檢查煤礦高壓動力系統(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。

煤礦高壓動力系統(tǒng)在使用過程中，有時(shí)會突然停機(jī)。這種情況大部分都是由于變壓器問題產(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)輸過程中的損耗。但是，對變壓器改造不當(dāng)，會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力系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會不科學(xué)地改造變壓器。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)而造成電纜過熱，進(jìn)一步檢查故障。另外，要解決煤礦高壓動力系統(tǒng)的故障問題，還需要加強(qiáng)對煤礦高壓動力系統(tǒng)維修知識的宣傳，促使廣大煤礦高壓動力系統(tǒng)用戶對煤礦高壓動力系統(tǒng)常見故障進(jìn)行更深入的了解和檢查。煤礦高壓動力系統(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，只要煤礦高壓動力系統(tǒng)的核心部件沒有出現(xiàn)問題，其他問題就能很好地解決。設(shè)備核心一旦出了問題，我們就需要花費(fèi)大量的時(shí)間去找出問題在于哪個(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力系統(tǒng)的知識和故障診斷技巧，做好煤礦高壓動力系統(tǒng)變壓器的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的故障。

3．3 檢查高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)的工作狀態(tài)

高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)及故障處理也是現(xiàn)階段煤礦高壓動力系統(tǒng)檢修急需解決的問題。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，幾乎所有行業(yè)都在努力將智能技術(shù)植入其中，我國的煤礦高壓動力系統(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。一是通過智能控制，自動控制開關(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，我國對煤礦高壓動力系統(tǒng)對故障系統(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力系統(tǒng)事故處理工作，國家在這方面也應(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，接下來各相關(guān)部門要大力推廣高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)，加大對高壓動力電纜絕緣故障系統(tǒng)的扶持力度，做好相關(guān)煤礦高壓動力系統(tǒng)的建設(shè)。做好煤礦高壓動力系統(tǒng)互感器設(shè)備的故障排查，處理某些故障現(xiàn)象，提高煤礦高壓動力系統(tǒng)的可靠性，保證電力的供應(yīng)，為煤礦高壓動力系統(tǒng)創(chuàng)造更大的效益。

4 絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應(yīng)用在工業(yè)場所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)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(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)測耦合儀

絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，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)測儀技術(shù)參數(shù)

5.2測試信號發(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)測耦合儀技術(shù)參數(shù)

6 結(jié)論

保德煤礦高壓動力電纜絕緣故障監(jiān)測系統(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)對在運(yùn)行電壓下對電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測，真實(shí)反映電纜的絕緣水平。自動連續(xù)監(jiān)測狀態(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)效益和社會效益。

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