汪勁濤

（山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030000）

礦井電纜是井下機(jī)電設(shè)備供電的關(guān)鍵設(shè)備，作為電能傳輸介質(zhì)，對(duì)煤礦安全、高效生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用[1-2]。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，井下電纜受到電、熱、化學(xué)等應(yīng)力作用，表面絕緣層出現(xiàn)破損、皺破等現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣水平下降，縮短電纜的使用壽命，甚至在絕緣破損位置出現(xiàn)電弧，遇到瓦斯與煤塵而引發(fā)燃燒與爆炸等事故，將危及井下工作人員的生命安全[3-4]。因此，對(duì)煤礦高壓電纜進(jìn)行絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)定位破損位置并進(jìn)行維修或更換是十分必要的。一直以來(lái)電纜的監(jiān)測(cè)方法較為落后，大多采用人工斷電巡檢的方式，具有明顯滯后性，無(wú)法及時(shí)對(duì)故障電纜進(jìn)行檢修，并且耽誤井下正常的生產(chǎn)，造成人力與物力的浪費(fèi)[5-6]。因此，為了降低井下高壓電纜的檢修成本，研究一種安全有效的絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)礦井供電安全有著十分重要的意義。

1 電纜絕緣故障分析

1.1 電纜絕緣故障類(lèi)型

煤礦井下電纜在使用過(guò)程中，處于潮濕污穢的環(huán)境，受到外界應(yīng)力作用下，絕緣材料發(fā)生老化會(huì)引起故障[7]。電纜絕緣故障類(lèi)型主要包括電纜本體故障與接頭故障[8]。造成電纜本體故障的首要因素是電纜本身的質(zhì)量問(wèn)題，生產(chǎn)商為了降低成本，忽略了電纜的制造缺陷，埋下了安全隱患。接頭故障占電纜故障的絕大部分，是電纜檢修維護(hù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，也是故障頻發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)，因此判斷電纜接頭的絕緣狀態(tài)，是井下供電網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

1.2 絕緣特征參數(shù)

常見(jiàn)的電纜絕緣性能表征參數(shù)包括絕緣電阻、線芯溫度、局部放電與介質(zhì)損耗等。在高壓電纜周?chē)纬傻碾妶?chǎng)會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，電纜的局部放電現(xiàn)象主要出現(xiàn)在內(nèi)部導(dǎo)體與絕緣層之間的氣隙、電纜橡膠與環(huán)氧分界面、絕緣表面等位置。相關(guān)實(shí)踐證明，電纜局部放電與電纜的絕緣老化程度有著密切的關(guān)系，通過(guò)對(duì)局部放電量進(jìn)行測(cè)量，可有效對(duì)電纜的絕緣狀態(tài)及老化壽命進(jìn)行評(píng)估。絕緣老化產(chǎn)生的局部放電會(huì)在短時(shí)間內(nèi)多次擊穿絕緣，產(chǎn)生頻帶很寬的聲波。因此，可通過(guò)超聲法監(jiān)測(cè)電纜接頭的聲信號(hào)來(lái)判定局部放電強(qiáng)弱，進(jìn)而評(píng)估電纜接頭的絕緣狀態(tài)。

2 絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)絕緣故障及特征參數(shù)的分析，確定了以超聲波信號(hào)檢測(cè)作為電纜接頭絕緣狀態(tài)的評(píng)估方法。所設(shè)計(jì)的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上位機(jī)、CPU處理器、信號(hào)調(diào)理電路、超聲波傳感器及信號(hào)傳輸介質(zhì)等。根據(jù)處理需求，CPU選用DSP系列微處理器。系統(tǒng)通過(guò)超聲波傳感器采集局部放電所產(chǎn)生的超聲信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大與濾波傳輸?shù)紻SP處理器，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示與報(bào)警。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的局部放電信號(hào)大小與標(biāo)準(zhǔn)閾值比較，可評(píng)估出電纜接頭壽命是否超限，對(duì)于絕緣狀態(tài)不符合要求的電纜，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行檢修和更換。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 處理器選型設(shè)計(jì)

DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算能力與數(shù)據(jù)處理能力，根據(jù)超聲波信號(hào)采集需求，處理器的采樣頻率應(yīng)當(dāng)大于信號(hào)最高頻率的兩倍。本系統(tǒng)超聲波信號(hào)的頻率主要集中在20～60 kHz，因此處理器頻率至少應(yīng)當(dāng)大于120 kHz。DSP2812型號(hào)處理器采樣頻率12.5 MSPS，滿足需求。DSP處理器除了自身主控芯片，還配有電源、復(fù)位、時(shí)鐘、通訊及JTAG仿真接口等外圍電路。DSP2812處理器內(nèi)核采用1.8 V供電，I/O接口采用3.3 V電源供電，因此電源電路選用AMS1117-3.3與AMS1117-1.8轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行供電。復(fù)位電路選用SP708芯片進(jìn)行脈沖復(fù)位。

3.2 超聲波傳感器選型

超聲波傳感器為系統(tǒng)的信號(hào)采集裝置，工作原理是共振盤(pán)接收到外部超聲波信號(hào)發(fā)生上下振動(dòng)，將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)，通過(guò)在探頭兩極之間加載電壓，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理電路處理后傳輸?shù)紻SP中進(jìn)行計(jì)算分析。由于電纜為高壓電的運(yùn)輸載體，容易受到較大的電磁干擾，而超聲波信號(hào)由脈沖信號(hào)生成，頻帶較寬，受到的電磁干擾較弱，極大地提高了局部放電信號(hào)的檢測(cè)精度。本系統(tǒng)的超聲波頻率范圍大約在20～60 kHz，機(jī)械噪聲大約在120 Hz～4 kHz，電磁噪聲大約在30 MHz～30 GHz。選擇超聲波傳感器時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合噪聲頻率，可規(guī)避噪聲頻帶范圍，有效提高檢測(cè)精度。本系統(tǒng)選擇EU16A0F40H12T/R型超聲波傳感器，中心檢測(cè)頻率為40 kHz。

3.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

局部放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)有時(shí)候較微弱，傳感器所感應(yīng)產(chǎn)生的電壓也很小，不容易直接進(jìn)行處理，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的放大調(diào)節(jié)。DSP2812芯片的AD接受電壓范圍為0～3 V，應(yīng)當(dāng)控制放大倍數(shù)，避免燒毀芯片。放大電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 放大電路設(shè)計(jì)

根據(jù)噪聲頻帶范圍與超聲波頻帶范圍選擇傳感器，雖然減少了采集信號(hào)中的噪聲干擾，但依舊無(wú)法滿足系統(tǒng)的精度需求，需要對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波處理。本系統(tǒng)采用帶通濾波的方式，選擇二級(jí)壓控濾波器，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。R4、C2負(fù)責(zé)低通濾波，主要濾除電磁輻射噪聲，R5、C3負(fù)責(zé)高通濾波，主要濾除機(jī)械振動(dòng)噪聲。輸出電壓經(jīng)過(guò)R6形成正反饋，構(gòu)成壓控帶通濾波器。

圖3 帶通濾波電路設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的局部放電信號(hào)，可以表征電纜的絕緣劣化程度，進(jìn)而評(píng)估剩余壽命。選取不同工作年限的電纜接頭進(jìn)行局部放電信號(hào)的試驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)電纜要求，測(cè)試電壓為礦井正常運(yùn)行電壓6 kv，局部放電的標(biāo)準(zhǔn)閾值為10 pc。試驗(yàn)測(cè)試6組樣本，數(shù)據(jù)表明1、2、3、4組樣本處于正常壽命狀態(tài)，5、6組樣本局部放電量過(guò)大，電纜壽命超限，其中5組樣本絕緣劣化嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行檢修或更換。通過(guò)試驗(yàn)證明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效檢測(cè)到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，系統(tǒng)可有效避免噪聲干擾，數(shù)據(jù)采集精度滿足檢測(cè)需求。

表1 局部放電模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)煤礦高壓電纜的故障進(jìn)行分析，以電纜接頭故障為主要對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波信號(hào)的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的總體方案與硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)處理器及超聲波傳感器進(jìn)行選型，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)放大電路與帶通濾波電路有效提高了信號(hào)的抗干擾性。該系統(tǒng)以局部放電信號(hào)表征電纜的絕緣老化程度，通過(guò)試驗(yàn)確定了方案的可行性，系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，準(zhǔn)確評(píng)估電纜壽命狀態(tài)，為電纜檢修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，滿足煤礦電纜的日常監(jiān)測(cè)需求。