煤矿高压电缆绝缘电阻的微分差值在线监测方法

张子红

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022)

煤矿高压电缆绝缘电阻的微分差值在线监测方法

张子红

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022)

为了实时在线监测矿用高压电缆的绝缘状态，准确获取电缆线路绝缘参数，建立了电缆线路的对地等效电路模型，提出微分差值法的在线监测原理，设计了一种矿用高压电缆绝缘在线监测系统。采用高性能的嵌入式处理器结合软件平均值滤波法，计算出表征高压电缆绝缘状态的特征量绝缘电阻和分布电容值，在电缆线路正常供电情况下，对电缆线路的首末端电流信号和电压信号的瞬时值进行精确测量和调理。同时，通过以太网控制器实现电缆线路绝缘状态的远程监控。实验结果表明：监测系统可以实时监测电缆线路的对地绝缘电阻和等值电容，测量误差在3%以内。

煤矿； 矿用高压电缆； 绝缘电阻； 在线监测

0 引 言

我国煤矿井下高压供电网路均采用6 kV或10 kV电缆线路，电缆线路的绝缘水平直接影响到煤矿的安全生产[1]。国内外学者提出的电缆在线监测方法主要有直流分量法、直流叠加法、接地线电流法和局部放电测量法[2-4]。孙晓斐等[5]提出的直流电桥法的测量误差会随绝缘电阻的增大而增大。张潇等[6]提出的广域测量方法需要通过光纤建立数据传输通道才能实现全网数据互联。针对上述问题，笔者提出一种能够快速、有效地检测矿用高压电缆绝缘电阻的在线监测方法-微分差值法，即通过电缆线路的等效电路模型建立方程组，两次微分法获取二阶方程组的解，然后通过传感器电路采集电缆线路首末端的电流值和电压值，运用高性能的嵌入式处理器结合软件平均值滤波法计算出表征电缆劣化状态的绝缘电阻和分布电容值，从而准确诊断电缆绝缘劣化情况。

1 微分差值法的基本原理

假设单位长度的电缆的阻抗为z1=r1+jwl1,导纳为y1=g1+jwc1,其中r1为电缆线芯单位长度等效电阻，l1为电缆线芯单位长度等效电感，g1为电缆单位长度绝缘电导，c1为电缆单位长度分布电容，w为角频率。单项电缆对地等效模型如图1所示。

图1 单相电缆对地等效电路模型

Fig.1Equivalentcircuitmodelofsinglephasecablesto

ground

电缆首端的电流为I1，末端的电流为I2，首端电压为U1,末端电压为U2，电缆长度为L，取dx为长度微元,假设输入电压为正弦波，忽略高阶微小量，可以得出:

(1)

对式(1)中x求导,可得：

(2)

(3)

令x=0,I0=I1,U0=U1代入式(3)，可得：

(4)

为了求式(4)的解，还需要一个方程组，通过分析将式(3)求导，可得：

(5)

此时，将式(1)代入式(5)，令x=0,I0=I1,U0=U1，整理后可得：

(6)

由式(4)和式(6)联立求解，可得：

整理后可得:

(7)

采用电缆长度L替换式(7)中的x可得到电缆末端电压U2和电流I2为：

(8)

通过式(8)可以得出,电缆首端电压U1和电流I1为：

(9)

由式(8)和(9)可以得出电缆电路的泄露电流ΔI=I1-I2和电压降ΔU=U1-U2的关系式，整理后得到电缆电路的传导常数γ的平方为：

(10)

假设电缆绝缘导纳为Y，绝缘电阻为R，由式(10)可得到电缆电路的绝缘导纳为：

(11)

式(11)表明，只要获得电缆线路的首末两端的电压和电流值就可以推导出电缆线路的绝缘电阻R和分布电容C为：

R=1/ReY，

C=lnY/(2πf) ，

式中：f——频率。

2 在线监测系统与模拟实验

矿用高压电缆绝电阻在线监测系统可实时监测电缆的运行情况及绝缘水平的高低。通过高精度电流互感器、电压互感器采集表征电缆绝缘的特征参数，利用通讯网络技术把特征参数传送给井上监控中心并在人机界面中显示。

2.1系统硬件结构

该在线监测系统由电源模块，信号采集电路、信号调理电路、存储电路、以太网接口电路等组成，其原理如图2所示。

图2 绝缘电阻在线监测系统

Fig.2Monitoringsystemcompositiondiagramofinsulationresistance

电源模块是将井下照明通过整流得到系统所需直流电源。电流互感器和电压互感器的主要作用是采集电缆运行时的电流信号有效值、电压信号有效值。信号调理电路主要由放大电路、滤波电路、稳压电路组成，作用是将电压信号和电流信号调理为合适的信号，传送至芯片STM32F103VET6[7]。STM32作为以太网服务器的主处理器，通过SPI接口与以太网控制器ENC28J60相连。该控制器内部集成了符合IEEE802.3标准的MAC层和物理层控制器[8-9]。主处理器STM32内部移植了uIP协议，内部设置了一个缓冲对列用来保存接收的数据，然后应用uIP的底层驱动控制，通过以太网将数据发送至监控中心PC机[10]。PC机对微处理器预处理后的数据进行细致的分析处理，并做出决策响应，并可实现数据的存储更新、报表生成和打印以及查看历史曲线等功能。从而实现对矿用高压电缆的运行状况远程在线监测。

2.2系统软件设计

监测系统的软件主要由系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、TCP/IP 以太网收发数据模块四个部分组成， 其软件设计流程如图3所示 。

图3 软件流程

STM32F103 芯片的初始化包括：定义缓冲区间、时钟配置、GPIO 管脚配置、中断配置、SPI 端口配置、DMA 配置、定时器配置和网口芯片控制引脚配置。

2.3模拟实验

在实验室条件下，进行了监测系统的模拟实验，采用天津电缆厂生产的型号为MYPTJ-3.6/6的矿用高压橡套电缆作为实验样本，试验温度16 ℃,取该型号全新电缆9 m，运用调压器产生6 kV工频电压作为电源对电缆供电，采用手调试负载代替电缆的绝缘电阻，在正常供电情况下，对高压电缆的绝缘状态进行了监测，实验结果如表1所示，其中，绝缘电阻实验值Rs、实际值Rc，分布电容实验值Cs、实际值Cc。

绝缘电阻的实验值和实际值的相对误差在3% 以下，和电桥法相比，精度提高了2%。由表1中数据可以看出，绝缘电阻的实验值和实际值基本接近，且当电阻较小时误差较大，电阻较大时误差较小，随着电阻的增加误差也逐渐稳定在2%以内。该装置可以以较小的相对误差对矿用高压电缆的绝缘参数进行测量，能够准确反映电缆绝缘电阻的整体变化趋势。

表1 实验结果

3 结束语

微分差值法的矿用高压电缆绝缘电阻在线监测系统能够实时采集表征电缆绝缘状态的特征量，并发送给监测端的嵌入式服务器，最后通过以太网向监控中心PC机传送各电缆线路的绝缘电阻和分布电容值,由监控中心PC机对数据和信息进行处理和分析、显示、故障诊断预警、报警以及实时控制,最终实现电缆安全状态的远程实时监测。该方法可以在正常供电的情况下，实现对矿用高压电缆的在线绝缘参数测量，不仅可以检测电缆对地的绝缘电阻，还可以检测电缆对地的分布电容。该方法无需改变现有电缆的接线方式，特别适合矿井下的供电场合, 采用的高性能的嵌入式处理器使系统具有非常高的运算速度，监测的绝缘电阻和分布电容的检测精度均在3%以下，满足绝缘电阻检测误差的要求。

[1] 王福忠， 董鹏飞， 董秋生, 等. 煤矿6 kV动力电缆绝缘在线监测系统研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2015(9): 1398-1405.

[2] 李海英， 李 玄， 宋建成. 基于雷达图法的矿用高压电缆安全预警模型[J]. 煤矿学报, 2012(11): 1941-1946.

[3] Jason A,Taylor S, Mark Halpin.Online estimation and identifiability of cable parameters using passive monitoring[C]// Washington North American Power Symposium, 2007: 253-254.

[4] Sarathi R, Arya N, Toshikatsu T.Understanding treeing phenomena and space charge effect in gamma-irradiated XLPE cable insulation[J]. Electr Eng, 2011, 93(1): 199-207.

[5] 孙晓斐，宋建成, 雷志鹏,等. 基于电桥法的煤矿高压电缆绝缘电阻在线监测[J]. 煤矿安全, 2014(2): 82-85.

[6] 张 潇, 王彦文, 赵永梅, 等. 矿用高压电缆绝缘在线监测方法 [J].工矿自动化， 2017(4)： 60-63.

[7] 张庆辉， 马延立. 基于STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太网接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2012(9): 23-25.

[8] 刘春生， 袁 昊， 李德根， 等. 载荷谱细观特征量与载部性能评价的模型[J]. 煤炭学报, 2017， 42(9)： 2468-2474.

[9] 穆莉莉， 薛程光. 基于以太网的设备电源远程控制系统设计 [J]. 安徽理工大学学报(自然科学版), 2015(6)： 48-52.

[10] 王文庆， 景明智， 亢红波. 矿井监控系统串网接口转换器设计[J]. 西安邮电大学学报， 2014(7): 57-62.

(编校李德根)

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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543068)

张子红(1976-)，女，黑龙江省集贤人，讲师，硕士，研究方向：嵌入式处理技术及应用，E-mail： zzhzlcgc@163.com。