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(cè)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(duì)地等效電路模型，提出微分差值法的在線監(jiān)測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一種礦用高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)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(jì)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(duì)電纜線路的首末端電流信號(hào)和電壓信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行精確測(cè)量和調(diào)理。同時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)電纜線路絕緣狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜線路的對(duì)地絕緣電阻和等值電容，測(cè)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(cè)

0 引 言

我國(guó)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(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的電纜在線監(jiān)測(cè)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(cè)量法[2-4]。孫曉斐等[5]提出的直流電橋法的測(cè)量誤差會(huì)隨絕緣電阻的增大而增大。張瀟等[6]提出的廣域測(cè)量方法需要通過(guò)光纖建立數(shù)據(jù)傳輸通道才能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)互聯(lián)。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出一種能夠快速、有效地檢測(cè)礦用高壓電纜絕緣電阻的在線監(jiān)測(cè)方法-微分差值法，即通過(guò)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(guò)傳感器電路采集電纜線路首末端的電流值和電壓值，運(yùn)用高性能的嵌入式處理器結(jié)合軟件平均值濾波法計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度等效電阻，l1為電纜線芯單位長(zhǎng)度等效電感，g1為電纜單位長(zhǎng)度絕緣電導(dǎo)，c1為電纜單位長(zhǎng)度分布電容，w為角頻率。單項(xiàng)電纜對(duì)地等效模型如圖1所示。

圖1 單相電纜對(duì)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，取dx為長(zhǎng)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(duì)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(gè)方程組，通過(guò)分析將式(3)求導(dǎo)，可得：

(5)

此時(shí)，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(zhǎng)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(guò)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(cè)系統(tǒng)與模擬實(shí)驗(yàn)

礦用高壓電纜絕電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的運(yùn)行情況及絕緣水平的高低。通過(guò)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(cè)系統(tǒng)由電源模塊，信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、存儲(chǔ)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(cè)系統(tǒng)

Fig.2Monitoringsystemcompositiondiagramofinsulationresistance

電源模塊是將井下照明通過(guò)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(yùn)行時(shí)的電流信號(hào)有效值、電壓信號(hào)有效值。信號(hào)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(hào)和電流信號(hào)調(diào)理為合適的信號(hào)，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(guò)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(gè)緩沖對(duì)列用來(lái)保存接收的數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用uIP的底層驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)更新、報(bào)表生成和打印以及查看歷史曲線等功能。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用高壓電纜的運(yùn)行狀況遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)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(gè)部分組成， 其軟件設(shè)計(jì)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(shí)鐘配置、GPIO 管腳配置、中斷配置、SPI 端口配置、DMA 配置、定時(shí)器配置和網(wǎng)口芯片控制引腳配置。

2.3模擬實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下，進(jìn)行了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，采用天津電纜廠生產(chǎn)的型號(hào)為MYPTJ-3.6/6的礦用高壓橡套電纜作為實(shí)驗(yàn)樣本，試驗(yàn)溫度16 ℃,取該型號(hào)全新電纜9 m，運(yùn)用調(diào)壓器產(chǎn)生6 kV工頻電壓作為電源對(duì)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(duì)高壓電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中，絕緣電阻實(shí)驗(yàn)值Rs、實(shí)際值Rc，分布電容實(shí)驗(yàn)值Cs、實(shí)際值Cc。

絕緣電阻的實(shí)驗(yàn)值和實(shí)際值的相對(duì)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(shí)驗(yàn)值和實(shí)際值基本接近，且當(dāng)電阻較小時(shí)誤差較大，電阻較大時(shí)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(duì)誤差對(duì)礦用高壓電纜的絕緣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，能夠準(zhǔn)確反映電纜絕緣電阻的整體變化趨勢(shì)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

微分差值法的礦用高壓電纜絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集表征電纜絕緣狀態(tài)的特征量，并發(fā)送給監(jiān)測(cè)端的嵌入式服務(wù)器，最后通過(guò)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(duì)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(bào)警以及實(shí)時(shí)控制,最終實(shí)現(xiàn)電纜安全狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該方法可以在正常供電的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用高壓電纜的在線絕緣參數(shù)測(cè)量，不僅可以檢測(cè)電纜對(duì)地的絕緣電阻，還可以檢測(cè)電纜對(duì)地的分布電容。該方法無(wú)需改變現(xiàn)有電纜的接線方式，特別適合礦井下的供電場(chǎng)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(yùn)算速度，監(jiān)測(cè)的絕緣電阻和分布電容的檢測(cè)精度均在3%以下，滿足絕緣電阻檢測(cè)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(xiàng)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。