礦用電纜故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程志明

（西山煤電西銘礦，山西太原 030052）

0 引言

煤礦高壓線纜在運(yùn)行過程中，容易受到熱力、擠壓、拖拽等外界環(huán)境的影響，使線纜出現(xiàn)不同種類的故障。在礦井線路的檢修方法中，一般選擇定期檢修。在礦井工作強(qiáng)度較低的時(shí)間段內(nèi)，停止所有電氣設(shè)備的供電，進(jìn)行隱患排查，并替換掉出現(xiàn)故障的線路。這種方法的缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性差，影響煤礦的正常生產(chǎn)。因此，有必要研究一套電纜故障診斷系統(tǒng)，通過對(duì)井下電纜的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，判斷是否出現(xiàn)故障，及時(shí)排除故障以保證煤礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)的電纜故障診斷系統(tǒng)以stm32為核心，通過對(duì)井下故障的特征進(jìn)行分析，確定故障判斷的監(jiān)測(cè)要素，設(shè)計(jì)硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)電纜故障的在線診斷。

1 礦用電纜結(jié)構(gòu)分析

礦用電壓等級(jí)越高，則電纜的輸電效率越高，可以向井下設(shè)備輸送更多的功率。根據(jù)煤礦電力建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)可以得知，不同等級(jí)的電壓用于不同的電氣設(shè)備，電壓等級(jí)不同，電纜傳輸功率也不同，詳情如表1所示[1-2]。

以礦用采煤機(jī)MCP電纜為例，其電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)芯的制作材料一般選擇銅或鋁，并在外圍增加絕緣層，保證線纜中各相電能傳輸?shù)莫?dú)立性。屏蔽層的作用是減少外界對(duì)電能傳輸?shù)母蓴_；絕緣包帶采用阻燃材料，制作標(biāo)準(zhǔn)按照MT818—1999《煤礦用阻燃電纜》執(zhí)行；填充層位于內(nèi)部線纜和絕緣包帶之間，可以增加電纜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保持電纜的形狀。

表1 井下常見電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)用途及功率

圖1 MCP電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2 監(jiān)測(cè)特征量確定

2.1 常用故障原因分析

煤礦井下條件復(fù)雜，電纜在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)受到各種擠壓、拖拽等影響，造成絕緣損壞，影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，給煤礦的生產(chǎn)安全帶來巨大威脅。電纜故障發(fā)生的原因主要包括：（1）線路過負(fù)荷；（2）電纜受潮；（3）絕緣外皮的損壞[3-6]。

在以上一種因素或多種因素的作用下，將會(huì)引發(fā)煤礦電纜故障。按照故障時(shí)電纜絕緣電阻的大小，可以將故障類型分為短路故障、斷線故障、混合故障、高阻故障4種類型。

2.2 監(jiān)測(cè)特征量提取

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電纜故障的在線監(jiān)測(cè)，需要根據(jù)每種故障類型的特征，提取特征向量，通過對(duì)特征量的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)電纜故障進(jìn)行判定。常用于反應(yīng)電纜故障的特征量包括溫度、接地線電流、絕緣電阻。

2.2.1 絕緣電阻測(cè)量

電纜的絕緣電阻是表征電纜表面絕緣水平的重要參量，通過測(cè)量絕緣電阻的數(shù)值，可以對(duì)電纜外皮的絕緣情況進(jìn)行診斷。測(cè)量電纜絕緣電阻常用的方法是直流疊加法，這種方法具有操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，可以用于運(yùn)行中電纜的絕緣電阻檢測(cè)。

通過在電纜中增加直流回路，向電纜中注入直流分量，通常直流電源的引入位置選擇為接地電壓互感器中性點(diǎn)附近。直流電壓的取值為50 V[7-8]，接線方式如圖2所示。

圖2 直流疊加法原理

2.2.2 接地線電流測(cè)量

在三線制的高壓電纜供電系統(tǒng)中，有1根線纜是接地的。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[9]可以得知，當(dāng)電纜的絕緣層出現(xiàn)老化或者損壞時(shí)，介質(zhì)損耗角正切值變大，接地電流通過的阻抗中，電容成分變多，接地電流中出現(xiàn)明顯的增量。因此，通過對(duì)接地線纜中接地電流的數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)電纜的絕緣水平進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)不同工況下，接地電流大小判斷電纜故障的方法如表2所示。由表2可知，當(dāng)接地線電流大于1 mA時(shí)，需要發(fā)出警報(bào)，提示工作人員進(jìn)行線路的檢修。

表2 故障類型判別

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障的在線監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)以stm32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征參量的檢測(cè)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。在接地線電流檢測(cè)中，由于電流信號(hào)微弱，設(shè)計(jì)放大電路，將微弱的電流信號(hào)處理成單片機(jī)可以識(shí)別的電壓信號(hào)；在絕緣電阻的測(cè)量中，當(dāng)線路中注入直流電壓之后，通過線路中泄漏電流的大小判斷絕緣電阻的阻值。為了得到更為精準(zhǔn)的絕緣電阻阻值，設(shè)計(jì)濾波電路，濾除線路中的交流信號(hào)。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 主控芯片選型

主控芯片選型為stm32f103c系列芯片，該芯片是32位的ARM結(jié)構(gòu)微處理器，供電電壓可以選擇2.0～3.3 V的電壓，內(nèi)部具有8 Mhz的高精度RC振蕩器，可以根據(jù)工作模式的需要，選擇睡眠、停機(jī)、待機(jī)3種模式，2個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，滿足本系統(tǒng)的模擬量采集需要。

3.3 濾波電路

由圖2可知，當(dāng)對(duì)電纜上的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電纜上不僅有直流電壓信號(hào)，也會(huì)有交流電壓信號(hào)，進(jìn)而會(huì)影響對(duì)絕緣電阻阻值的測(cè)量。為了保證絕緣電阻檢測(cè)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)相關(guān)濾波電路，如圖4所示。其中，圖4（a）為雙T濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻交流信號(hào)的濾除，主要針對(duì)工頻（50 Hz）交流信號(hào)；圖4（b）為串聯(lián)L型低通濾波電路，可以阻隔線路中高頻信號(hào)的通過，特別是各種高次諧波。

3.4 接地線電流測(cè)量電路

接地線電流是微安或者毫安級(jí)別的電流信號(hào)，不容易被單片機(jī)識(shí)別采集，需要通過放大電路進(jìn)行信號(hào)處理。本系統(tǒng)選擇OP1177系列的放大器設(shè)計(jì)電流信號(hào)放大電路，該芯片具有高精度、低噪聲的工作特性，同時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度相對(duì)不敏感，在高溫工作環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的工作性能。

圖4 濾波電路圖

以O(shè)P1177為核心設(shè)計(jì)的電流放大電路如圖5所示。由于OP1177為高精度精密器件，pcb焊接完成后，需要在其表面涂1層鍍層，防止表面潮濕對(duì)器件正常工作的影響。pcb上的熱源應(yīng)該與放大電路保持一定的距離，信號(hào)的走線與電源線的距離保持在6 mm以上，并確保引腳長(zhǎng)度相同，使其散熱均衡。

圖5 OP1177放大電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

stm32單片機(jī)的軟件編程主要通過Keil 5軟件平臺(tái)進(jìn)行編譯，通過模塊化的軟件設(shè)計(jì)，可以方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行軟件調(diào)試。

主程序流程圖如圖6所示。程序開始后，首先進(jìn)行絕緣電阻阻值的測(cè)量，打開40 V直流電源，測(cè)量濾波后的電纜絕緣電阻，并進(jìn)行判斷。當(dāng)阻值小于額定值R0時(shí)，判定線纜故障，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)絕緣電阻大于額定值R0時(shí)，判定線纜處于正常工作狀態(tài)；在接地線電流采集完成后，根據(jù)電流值的大小發(fā)出“正?！薄ⅰ瓣P(guān)注”、“警報(bào)”信號(hào)。

圖6 軟件流程圖

5 結(jié)束語

煤礦井下復(fù)雜，用于設(shè)備供電的電纜會(huì)因?yàn)橥献?、潮濕等因素造成各種故障。通過對(duì)常見故障的原因進(jìn)行分析，得出絕緣電阻測(cè)量和接地線電流測(cè)量對(duì)于電纜故障判定的方法，以stm32為核心設(shè)計(jì)相關(guān)電纜故障檢測(cè)硬件系統(tǒng)，主要介紹濾波電路和接地線電流測(cè)量電路，通過對(duì)檢測(cè)參量的判別實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)。