董 明

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000)

0 引 言

煤礦供電網(wǎng)絡(luò)是井下正常生產(chǎn)的最基本條件，由于井下潮濕環(huán)境及粉塵等因素的影響，電纜外部絕緣強(qiáng)度逐漸降低，出現(xiàn)絕緣缺陷，導(dǎo)致電流擊穿，造成供電網(wǎng)絡(luò)大范圍斷電。目前國內(nèi)煤礦對井下電纜缺乏有效的監(jiān)測手段，平時(shí)對電纜的維護(hù)也較少，對發(fā)生絕緣老化及破損的電纜不能做到及時(shí)更換與檢修，導(dǎo)致斷電事故時(shí)有發(fā)生。因此，研究井下電纜設(shè)備的絕緣狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種監(jiān)測方法與系統(tǒng)，在電纜絕緣性能降低到一定程度時(shí)，能夠及時(shí)的發(fā)出預(yù)警信息，對礦井安全生產(chǎn)有著重要的意義。筆者通過對電纜局部放電機(jī)理進(jìn)行分析，確定局部放電信號(hào)的檢測方法與去噪技術(shù)，并提出一種在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決煤礦高壓電纜絕緣狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷問題。

1 電纜局部放電及檢測

1.1 電纜局部放電機(jī)理

目前煤礦所使用的電纜大多為交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)，電纜在使用過程中受到電場、熱、機(jī)械等應(yīng)力作用下逐漸發(fā)生絕緣老化，老化過程可以分為三個(gè)階段局部放電老化、電樹枝老化與絕緣擊穿。在老化初期局部放電量為0.1pC，當(dāng)發(fā)生絕緣擊穿時(shí)，放電量達(dá)到1 000pC，因此，通過局部放電信號(hào)可較好的反映出電纜的老化程度。

在制作與使用中，電纜復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)絕緣缺陷，如氣隙與毛刺等，而在缺陷處極易發(fā)生局部放電。氣隙為電纜絕緣層最常見缺陷，當(dāng)電纜傳輸高壓電時(shí)，氣隙處的電場強(qiáng)度會(huì)非常大，而氣隙處擊穿強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于正常的絕緣層，所以氣隙處會(huì)發(fā)生局部放電。

1.2 局部信號(hào)檢測

局部放電過程會(huì)伴隨著許多物理變化與化學(xué)變化，如光、聲音、熱量、電流、電磁輻射等，通過監(jiān)測這些信號(hào)的變化，可以推導(dǎo)得到局部放電量。目前，局部放電量的檢測方法主要包括：電感與電容耦合法、差分法、方向耦合法、超高頻法與電磁耦合法等。

差分法的檢測原理如圖1所示，在電纜金屬護(hù)套的兩端安裝鉑電極，搭建橋式電路，形成一個(gè)脈沖耦合裝置，利用阻抗Z測量得到局部脈沖信號(hào)，判斷該電纜局部放電量。差分法可有效降低外界環(huán)境干擾，避免井下噪聲沖擊帶來的數(shù)據(jù)波動(dòng)。電纜之間采用接線盒連接時(shí)，可利用電磁耦合法，不需要接觸高壓電纜，通過電纜接地線獲取局部放電信號(hào)，但由于接地線的干擾因素較多，所以采集電路應(yīng)具有較好的去噪和抗干擾能力。

圖1 差分法檢測局部脈沖

2 信號(hào)去噪研究

由于井下環(huán)境復(fù)雜，為保證采集數(shù)據(jù)精確度，需要對采集信號(hào)進(jìn)行去噪處理。礦井電纜局部放電信號(hào)受到的干擾主要來源于電磁噪聲，包括白噪聲與窄帶噪聲，利用小波分析可較好的去除這兩種噪聲干擾。

小波閾值去噪實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算量小，非常適合需要實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。去噪過程主要分為三步：①小波分解，將初始采集信號(hào)進(jìn)行小波分解，得到各層小波系數(shù)；②閾值作用，選取閾值確定法，確定對各層小波系數(shù)的閾值，通過閾值去除信號(hào)中的噪聲信號(hào)；③小波重建，對小波系數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)小波系數(shù)重建采集信號(hào)得到去除噪聲后的信號(hào)。常見的閾值確定方法包括長對數(shù)閾值法、似然估計(jì)閾值法與極小化極大方差閾值法等，筆者選用極小化極大方差閾值法，閾值確定公式如下：

(1)

式中：σ為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)；N為小波系數(shù)的個(gè)數(shù)。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的煤礦高壓電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)包括電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、光纖傳輸模塊與上位機(jī)。電流傳感器安裝于電纜接地線外部，用于測量局部脈沖信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊安裝于被測電纜周圍，其中信號(hào)調(diào)理電路為采集模塊的內(nèi)部前置環(huán)節(jié)，用于信號(hào)的濾波與放大等預(yù)處理，處理器單元負(fù)責(zé)信號(hào)的數(shù)字化處理、去噪。光纖傳輸模塊包括光電轉(zhuǎn)化模塊與光纖傳輸線，其中轉(zhuǎn)化模塊與采集模塊連接，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纖線將信號(hào)傳輸?shù)叫畔鬏斈K。信息傳輸模塊安裝于巷道監(jiān)控站，用于接收光纖信號(hào)，同時(shí)通過串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔衔粰C(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，通過電纜局部放電信號(hào)，推算出電纜絕緣層的老化狀態(tài)，當(dāng)老化程度高出設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，工作人員應(yīng)及時(shí)更換老化電纜。

圖2 電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 采集模塊設(shè)計(jì)

按各模塊功能可將監(jiān)測系統(tǒng)分為采集模塊與傳輸模塊，其中采集模塊包括電流傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理電路、處理器單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。

電流傳感器用于檢測局部脈沖信號(hào)，為了保證測量精度，系統(tǒng)選用高頻脈沖電流傳感器。傳感器采用環(huán)形磁性材料，當(dāng)高頻脈沖通過線圈時(shí)，電流傳感器會(huì)產(chǎn)生電壓，從而得到電流波形，用于信號(hào)處理與分析。采用電流傳感器檢測脈沖信號(hào)具有不侵入高壓電纜，線性度高，使用安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，滿足脈沖信號(hào)的測量需求。

局部脈沖信號(hào)的頻率范圍較寬，幅值較小，不利于數(shù)據(jù)的分析與去噪，因此當(dāng)電流傳感器采集到脈沖信號(hào)后，應(yīng)當(dāng)利用信號(hào)調(diào)理電路做前置處理，保證采集信號(hào)的電壓與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入電壓相匹配，同時(shí)對信號(hào)進(jìn)行濾波與放大處理。脈沖信號(hào)的電壓在mV級(jí)別，脈沖頻率10 kHz左右，本文采用AD811芯片對脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，具體電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換模塊由AD8138芯片組成，將信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)作為差分輸入信號(hào)，提高轉(zhuǎn)換過程的抗干擾能力。采集模塊選用FPGA芯片作為處理器，芯片型號(hào)為EP1C12240C8，負(fù)責(zé)邏輯控制、參數(shù)配置與數(shù)據(jù)緩存等。

采集模塊的最小系統(tǒng)的處理速率較高，但是內(nèi)存較小，當(dāng)采集數(shù)據(jù)多、通訊模塊出現(xiàn)故障無法傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)存將很快占滿，采集模塊將停止工作，而且采集數(shù)據(jù)寫入RAM區(qū)，會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)算速度，減少內(nèi)存使用壽命。為了解決上述問題，應(yīng)在最小系統(tǒng)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊，用于存放采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用IS6ILV芯片，容量選擇512 k×16位，滿足數(shù)據(jù)存放需求。

3.3 光纖傳輸模塊

由于井下環(huán)境復(fù)雜，外界干擾與噪聲較多，為了保證信號(hào)在傳輸過程不會(huì)失真，本系統(tǒng)采用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。光纖傳輸保證各單元之間電氣隔離，在長距離傳輸時(shí)，信號(hào)衰減程度小，信號(hào)傳輸速率快，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。系統(tǒng)選用單模光纖傳輸線，光電轉(zhuǎn)換模塊選用SFP模塊，最大傳輸距離15 km，傳輸速率可達(dá)2.5 G/s，滿足系統(tǒng)信號(hào)傳輸需求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備之前，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過一系列的調(diào)試試驗(yàn)，分析系統(tǒng)的應(yīng)用效果。調(diào)試試驗(yàn)設(shè)置有50組樣本，選取正常狀態(tài)的電纜，通過錘擊的方式破壞電纜絕緣性能，監(jiān)測系統(tǒng)對不同錘擊次數(shù)的局部放電信號(hào)進(jìn)行測量，得到的結(jié)果如表1所列。

表1 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果 /pc

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著錘擊次數(shù)的增加，電纜絕緣層的破壞越嚴(yán)重，局部信號(hào)的放電量逐漸升高，證明監(jiān)測系統(tǒng)可有效的對電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

5 結(jié) 語

分析了煤礦高壓電纜老化過程，選取局部放電脈沖信號(hào)作為電纜絕緣老化狀態(tài)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過小波閾值去噪法對脈沖信號(hào)進(jìn)行去噪處理，提高了采集信號(hào)的精確度，通過監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，可較為真實(shí)的反映出電纜老化程度，保障井下供電網(wǎng)絡(luò)的安全性。