陳國(guó)龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037034）

在煤礦生產(chǎn)中，煤礦供電網(wǎng)絡(luò)是確保生產(chǎn)正常的基本條件，由于礦井下部存在較大的粉塵，且環(huán)境潮濕，電纜外部所具有的絕緣性逐漸降低，形成了一種絕緣缺陷，導(dǎo)致了電流擊穿，最終導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大區(qū)域內(nèi)斷電。目前，國(guó)內(nèi)煤礦尚不具備有效的監(jiān)測(cè)手段來(lái)監(jiān)測(cè)礦井下電纜，日常維護(hù)也少，對(duì)發(fā)生絕緣老化、破損的電纜無(wú)法及時(shí)更換，最終導(dǎo)致斷電事故的產(chǎn)生。因此，對(duì)礦井下電纜設(shè)備的絕緣狀態(tài)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，當(dāng)電纜的絕緣性能持續(xù)降低到某種程度時(shí)，可以及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，對(duì)礦井生產(chǎn)的安全性有著十分重要的意義。本文通過(guò)對(duì)電纜的局部放電機(jī)制進(jìn)行分析，明確局部放電信號(hào)的檢測(cè)及去噪技術(shù)，并提出了一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了煤礦高壓電纜的絕緣監(jiān)測(cè)及診斷問(wèn)題。

1 電纜局部放電及檢測(cè)

1.1 電纜局部放電機(jī)理

目前煤礦所運(yùn)用的電纜大部分都是交聯(lián)聚乙烯電纜，在使用的過(guò)程中電纜極易受到外界因素的影響而出現(xiàn)絕緣老化，在逐漸老化的過(guò)程中可以劃分為局部放電、電樹(shù)枝兩種老化和絕緣擊穿。在剛剛老化的過(guò)程中，局部放電量可以達(dá)到0.1pc，當(dāng)出現(xiàn)絕緣擊穿的時(shí)候，放電量可以達(dá)到1000pc，因此，通過(guò)采集局部放電信號(hào)，可以較好地判斷出電纜發(fā)生老化的程度。

在加工與應(yīng)用電纜的過(guò)程中，其所運(yùn)用到的材料會(huì)發(fā)生絕緣缺陷，例如毛刺等，而在發(fā)生缺陷的部位極易出現(xiàn)局部放電。此外，氣隙也是最常見(jiàn)的一種缺陷，當(dāng)電纜傳輸高壓電的時(shí)候，氣隙部位會(huì)形成極大的電場(chǎng)強(qiáng)度，而與絕緣層相比，氣隙部位要具備更強(qiáng)的擊穿強(qiáng)度，因此，氣隙部位會(huì)形成局部放電。

1.2 局部信號(hào)檢測(cè)

局部放電過(guò)程會(huì)伴隨著物理及化學(xué)類(lèi)變化而不斷變化，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，可以推測(cè)出局部放電量。目前，對(duì)局部放電量進(jìn)行檢測(cè)的方法主要包含以下幾種：差分法、電感電容耦合法等。

差分法的作用機(jī)理詳見(jiàn)圖1，將鉑電極配置在電纜金屬護(hù)套的兩側(cè)，以此來(lái)形成一個(gè)橋式電路，形成一個(gè)脈沖耦合裝置，運(yùn)用阻抗Z 來(lái)對(duì)局部脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)判斷出局部放電量。通過(guò)運(yùn)用這種方法可以確保外界干擾得到最大限度地降低，避免因井下噪聲沖擊所造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)。利用接線盒將電纜進(jìn)行連接時(shí)，可以采取電磁偶合法，不需要與高壓電纜相接觸，通過(guò)運(yùn)用接地線可以取得局部放電信號(hào)，但是由于接地線十分容易受到外界因素的影響，因此，采集電路應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的抗干擾和去噪能力。

圖1 差分法檢測(cè)局部脈沖

2 信號(hào)去噪研究

由于煤礦下的地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜，為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，必須一定的去噪技術(shù)對(duì)采集信號(hào)實(shí)施處理。礦井電纜的局部放電信號(hào)基本都是被電磁噪聲所干擾，其中包含了兩種噪聲，分別為白和窄帶，運(yùn)用小波分析可以將這些干擾進(jìn)行清除。

小波閾值去噪的操作十分簡(jiǎn)單，且計(jì)量量相對(duì)較小，可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)。去噪過(guò)程包含了三個(gè)環(huán)節(jié)：①小波分解，可以將最初采集到的信號(hào)進(jìn)行此類(lèi)分解，得到了各個(gè)層級(jí)的小波系數(shù)；②閾值作用，選擇閾值確定法，將每一個(gè)層級(jí)的小波系數(shù)閾值進(jìn)行明確，并利用該數(shù)值來(lái)清除信號(hào)之中的噪聲信號(hào)；③小波重建，對(duì)系統(tǒng)之中的小波系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，依據(jù)小波系數(shù)來(lái)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到噪聲清除之后的信號(hào)。閾值確定法中最常見(jiàn)的方法為長(zhǎng)對(duì)數(shù)、似然估計(jì)等，本文所運(yùn)用的為極小化極大方差閾值法，公式為：

式中：σ——噪聲標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)；

N——小波系數(shù)的個(gè)數(shù)。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的煤礦高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造詳見(jiàn)圖2，該系統(tǒng)主要有五部分，一為電流傳感器、二為信號(hào)調(diào)理電路、三為數(shù)據(jù)采集單元、四為光纖傳輸單元、五為上位機(jī)。電流傳感器的安裝部位處于電纜接地線的外部，其作用在于對(duì)局部脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；數(shù)據(jù)采集單元配置在被測(cè)電纜的周?chē)?；信?hào)調(diào)理電路安裝在采集板塊的內(nèi)部前置環(huán)節(jié)，其作用在于對(duì)信號(hào)的濾波及放大等實(shí)施預(yù)處理，處理器單元的功能是對(duì)信號(hào)實(shí)施數(shù)字化處理及去噪。光纖傳輸板塊包含了兩個(gè)部分，分別為光電轉(zhuǎn)化與光纖傳輸線，其中轉(zhuǎn)化與采集模塊相互連接，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成為光信號(hào)，利用光纖線可以將信號(hào)傳輸?shù)叫畔鬏敯鍓K。信息傳輸板塊的安裝部位在煤巷監(jiān)控站內(nèi)，其作用在于接收光纖信號(hào)，同時(shí)可以利用串口通信將數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸?shù)降孛嫔衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，通過(guò)電纜的局部放電信號(hào)來(lái)計(jì)算出電纜絕緣層的老化狀態(tài)，如果老化程度超出了標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，此時(shí)操作人員需要及時(shí)更換老化電纜。

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

3.2 采集模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)各個(gè)模塊具有的功能可將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為采集與傳輸兩個(gè)模塊，其中采集模塊包括了A/D 轉(zhuǎn)換單元、電流傳感器等多個(gè)單元。

電流傳感器的功能在于對(duì)局部脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，為了確保測(cè)量的精確度，系統(tǒng)采取高頻脈沖電流傳感器。傳感器使用環(huán)形磁性材料，當(dāng)高頻脈沖經(jīng)過(guò)線圈之時(shí)，電流傳感器將會(huì)形成一種電壓，進(jìn)而得到一種電流波形，用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理及分析。采取電流傳感器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，可避免侵入高壓電纜，且線性度較高，使用和安裝便捷，可以滿足脈沖信號(hào)的測(cè)量需求[1]。

局部脈沖信號(hào)具有較寬的頻率范圍、較小的幅值，對(duì)數(shù)據(jù)的分析及去噪有著極大的影響，因此，當(dāng)電流傳感器收集到脈沖信號(hào)之后，需要開(kāi)展有效的前置處理，確保采集信號(hào)具有的電壓與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元的輸入電壓相滿足，同時(shí)對(duì)信號(hào)實(shí)施處理。脈沖信號(hào)具有的電壓處于mV 級(jí)別，脈沖頻率處于10kHz 上下，本文在對(duì)脈沖信號(hào)實(shí)施調(diào)理之時(shí)所運(yùn)用的芯片為AD811芯片。

A/D 轉(zhuǎn)換模塊的構(gòu)成芯片為AD8138 芯片，將信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)作為一種差分輸入信號(hào)，確保轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以免受外界因素干擾。采集單元的處理器則選擇了 FPGA 芯片，其型號(hào)為EP1C12240C8，其功能主要是承擔(dān)了參數(shù)配置、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和邏輯控制等。

采集模塊中最小系統(tǒng)有著較高的處理速度，但是內(nèi)存相對(duì)較小，當(dāng)采集數(shù)據(jù)較多、通信模塊發(fā)生故障無(wú) 法完成數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)存將會(huì)迅速被占滿，采集模塊將會(huì)停機(jī)，而且采集數(shù)據(jù)將會(huì)寫(xiě)入到RAM 區(qū)域，極大降低了系統(tǒng)運(yùn)算的速度、減少了內(nèi)存的使用壽命，為了有效處理上述問(wèn)題，需要在最小系統(tǒng)的外部擴(kuò)展儲(chǔ)存模塊，用來(lái)數(shù)據(jù)的采集及儲(chǔ)存，系統(tǒng)芯片為IS6ILV，容量為512 k x 16 位，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存需求。

3.3 光纖傳輸模塊

由于礦井下條件較為復(fù)雜，外部存在嚴(yán)重的干擾及噪聲，為了確保信號(hào)傳輸過(guò)程中不會(huì)失真，本系統(tǒng)利用光纖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。光纖傳輸可以保證各個(gè)單元之間的電氣隔離，在進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸工作的過(guò)程中，信號(hào)衰減程度較小，傳輸速率較快，完成了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用單模光纖傳輸線，光電轉(zhuǎn)換模塊則采用了SFP模塊，傳輸距離的最大值為15km，傳輸?shù)乃俾蕿?.5G/s，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4 試驗(yàn)結(jié)果

在系統(tǒng)正式運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)之前，需要進(jìn)行一系列的調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際效果進(jìn)行分析。調(diào)試實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置50組樣本，選擇使用狀態(tài)處于正常的電纜，利用錘擊的方式對(duì)電纜的絕緣性能進(jìn)行破壞，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)不同錘擊次數(shù)形成的局部放電信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表（單位：pc）

根據(jù)上述結(jié)果可知，隨著錘擊次數(shù)的不斷增加，電纜絕緣層的受損情況也越來(lái)越嚴(yán)重，局部信號(hào)的放電量持續(xù)增加，證明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的絕緣狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電纜的老化狀態(tài)進(jìn)行分析，選擇局部放電脈沖信號(hào)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估電纜的絕緣老化狀態(tài)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用小波閾值去噪法來(lái)處理脈沖信號(hào)，有助于更加精確的采集信號(hào)，通過(guò)實(shí)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所取得的數(shù)據(jù)，可以將電纜的老化程度進(jìn)行真實(shí)的反映，確保井下穩(wěn)定的供電。