張子紅

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

煤礦高壓電纜絕緣電阻的微分差值在線監(jiān)測方法

張子紅

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為了實時在線監(jiān)測礦用高壓電纜的絕緣狀態(tài)，準(zhǔn)確獲取電纜線路絕緣參數(shù)，建立了電纜線路的對地等效電路模型，提出微分差值法的在線監(jiān)測原理，設(shè)計了一種礦用高壓電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。采用高性能的嵌入式處理器結(jié)合軟件平均值濾波法，計算出表征高壓電纜絕緣狀態(tài)的特征量絕緣電阻和分布電容值，在電纜線路正常供電情況下，對電纜線路的首末端電流信號和電壓信號的瞬時值進(jìn)行精確測量和調(diào)理。同時，通過以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)電纜線路絕緣狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。實驗結(jié)果表明：監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測電纜線路的對地絕緣電阻和等值電容，測量誤差在3%以內(nèi)。

煤礦； 礦用高壓電纜； 絕緣電阻； 在線監(jiān)測

0 引 言

我國煤礦井下高壓供電網(wǎng)路均采用6 kV或10 kV電纜線路，電纜線路的絕緣水平直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)[1]。國內(nèi)外學(xué)者提出的電纜在線監(jiān)測方法主要有直流分量法、直流疊加法、接地線電流法和局部放電測量法[2-4]。孫曉斐等[5]提出的直流電橋法的測量誤差會隨絕緣電阻的增大而增大。張瀟等[6]提出的廣域測量方法需要通過光纖建立數(shù)據(jù)傳輸通道才能實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)互聯(lián)。針對上述問題，筆者提出一種能夠快速、有效地檢測礦用高壓電纜絕緣電阻的在線監(jiān)測方法-微分差值法，即通過電纜線路的等效電路模型建立方程組，兩次微分法獲取二階方程組的解，然后通過傳感器電路采集電纜線路首末端的電流值和電壓值，運用高性能的嵌入式處理器結(jié)合軟件平均值濾波法計算出表征電纜劣化狀態(tài)的絕緣電阻和分布電容值，從而準(zhǔn)確診斷電纜絕緣劣化情況。

1 微分差值法的基本原理

假設(shè)單位長度的電纜的阻抗為z1=r1+jwl1,導(dǎo)納為y1=g1+jwc1,其中r1為電纜線芯單位長度等效電阻，l1為電纜線芯單位長度等效電感，g1為電纜單位長度絕緣電導(dǎo)，c1為電纜單位長度分布電容，w為角頻率。單項電纜對地等效模型如圖1所示。

圖1 單相電纜對地等效電路模型

Fig.1Equivalentcircuitmodelofsinglephasecablesto

ground

電纜首端的電流為I1，末端的電流為I2，首端電壓為U1,末端電壓為U2，電纜長度為L，取dx為長度微元,假設(shè)輸入電壓為正弦波，忽略高階微小量，可以得出:

(1)

對式(1)中x求導(dǎo),可得：

(2)

(3)

令x=0,I0=I1,U0=U1代入式(3)，可得：

(4)

為了求式(4)的解，還需要一個方程組，通過分析將式(3)求導(dǎo)，可得：

(5)

此時，將式(1)代入式(5)，令x=0,I0=I1,U0=U1，整理后可得：

(6)

由式(4)和式(6)聯(lián)立求解，可得：

整理后可得:

(7)

采用電纜長度L替換式(7)中的x可得到電纜末端電壓U2和電流I2為：

(8)

通過式(8)可以得出,電纜首端電壓U1和電流I1為：

(9)

由式(8)和(9)可以得出電纜電路的泄露電流ΔI=I1-I2和電壓降ΔU=U1-U2的關(guān)系式，整理后得到電纜電路的傳導(dǎo)常數(shù)γ的平方為：

(10)

假設(shè)電纜絕緣導(dǎo)納為Y，絕緣電阻為R，由式(10)可得到電纜電路的絕緣導(dǎo)納為：

(11)

式(11)表明，只要獲得電纜線路的首末兩端的電壓和電流值就可以推導(dǎo)出電纜線路的絕緣電阻R和分布電容C為：

R=1/ReY，

C=lnY/(2πf) ，

式中：f——頻率。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)與模擬實驗

礦用高壓電纜絕電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測電纜的運行情況及絕緣水平的高低。通過高精度電流互感器、電壓互感器采集表征電纜絕緣的特征參數(shù)，利用通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把特征參數(shù)傳送給井上監(jiān)控中心并在人機(jī)界面中顯示。

2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該在線監(jiān)測系統(tǒng)由電源模塊，信號采集電路、信號調(diào)理電路、存儲電路、以太網(wǎng)接口電路等組成，其原理如圖2所示。

圖2 絕緣電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)

Fig.2Monitoringsystemcompositiondiagramofinsulationresistance

電源模塊是將井下照明通過整流得到系統(tǒng)所需直流電源。電流互感器和電壓互感器的主要作用是采集電纜運行時的電流信號有效值、電壓信號有效值。信號調(diào)理電路主要由放大電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，作用是將電壓信號和電流信號調(diào)理為合適的信號，傳送至芯片STM32F103VET6[7]。STM32作為以太網(wǎng)服務(wù)器的主處理器，通過SPI接口與以太網(wǎng)控制器ENC28J60相連。該控制器內(nèi)部集成了符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的MAC層和物理層控制器[8-9]。主處理器STM32內(nèi)部移植了uIP協(xié)議，內(nèi)部設(shè)置了一個緩沖對列用來保存接收的數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用uIP的底層驅(qū)動控制，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心PC機(jī)[10]。PC機(jī)對微處理器預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的分析處理，并做出決策響應(yīng)，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲更新、報表生成和打印以及查看歷史曲線等功能。從而實現(xiàn)對礦用高壓電纜的運行狀況遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、TCP/IP 以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)模塊四個部分組成， 其軟件設(shè)計流程如圖3所示 。

圖3 軟件流程

STM32F103 芯片的初始化包括：定義緩沖區(qū)間、時鐘配置、GPIO 管腳配置、中斷配置、SPI 端口配置、DMA 配置、定時器配置和網(wǎng)口芯片控制引腳配置。

2.3模擬實驗

在實驗室條件下，進(jìn)行了監(jiān)測系統(tǒng)的模擬實驗，采用天津電纜廠生產(chǎn)的型號為MYPTJ-3.6/6的礦用高壓橡套電纜作為實驗樣本，試驗溫度16 ℃,取該型號全新電纜9 m，運用調(diào)壓器產(chǎn)生6 kV工頻電壓作為電源對電纜供電，采用手調(diào)試負(fù)載代替電纜的絕緣電阻，在正常供電情況下，對高壓電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測，實驗結(jié)果如表1所示，其中，絕緣電阻實驗值Rs、實際值Rc，分布電容實驗值Cs、實際值Cc。

絕緣電阻的實驗值和實際值的相對誤差在3% 以下，和電橋法相比，精度提高了2%。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，絕緣電阻的實驗值和實際值基本接近，且當(dāng)電阻較小時誤差較大，電阻較大時誤差較小，隨著電阻的增加誤差也逐漸穩(wěn)定在2%以內(nèi)。該裝置可以以較小的相對誤差對礦用高壓電纜的絕緣參數(shù)進(jìn)行測量，能夠準(zhǔn)確反映電纜絕緣電阻的整體變化趨勢。

表1 實驗結(jié)果

3 結(jié)束語

微分差值法的礦用高壓電纜絕緣電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集表征電纜絕緣狀態(tài)的特征量，并發(fā)送給監(jiān)測端的嵌入式服務(wù)器，最后通過以太網(wǎng)向監(jiān)控中心PC機(jī)傳送各電纜線路的絕緣電阻和分布電容值,由監(jiān)控中心PC機(jī)對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理和分析、顯示、故障診斷預(yù)警、報警以及實時控制,最終實現(xiàn)電纜安全狀態(tài)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。該方法可以在正常供電的情況下，實現(xiàn)對礦用高壓電纜的在線絕緣參數(shù)測量，不僅可以檢測電纜對地的絕緣電阻，還可以檢測電纜對地的分布電容。該方法無需改變現(xiàn)有電纜的接線方式，特別適合礦井下的供電場合, 采用的高性能的嵌入式處理器使系統(tǒng)具有非常高的運算速度，監(jiān)測的絕緣電阻和分布電容的檢測精度均在3%以下，滿足絕緣電阻檢測誤差的要求。

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(編校李德根)

Differentialsdifferencevalueonlinemonitoringmethodforinsulationresistanceofmininghighvoltagecable

ZhangZihong

(School of Electronics & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

The paper is motivated the need for online monitoring of insulation condition of mining high voltage cable in real time and obtaining accurate insulation parameters. The research consists of developing equivalent circuit model of cable to ground; providing the differentials difference value ; and explaining its on-line monitoring principle in detail; designing the system of mining high voltage cable insulation resistance monitoring; in normal power supply, computing the cable insulation properties of insulation resistance and equivalent capacitance by employing a high-performance embedded processor combined with average value filter method; accurately measuring the instantaneous voltage and current of cable ends and signal conditioning circuits and simultaneously using an Ethernet controller to establish the monitoring system capable of real-time and networked monitoring and management of operation status of mining high voltage cable. The experiment indicates that the monitoring system is able to monitor the real-time data of insulation resistance and equivalent capacitance, combined with management system, with the relative error of automatic inspection of less than 3%.

coal mine; mining high voltage cable; insulation resistance; online monitoring

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.022

TD611； TM855

2095-7262(2017)06-0685-04

A

2017-09-16

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12543068)

張子紅(1976-)，女，黑龍江省集賢人，講師，碩士，研究方向：嵌入式處理技術(shù)及應(yīng)用，E-mail： zzhzlcgc@163.com。