煤矿井下电缆故障定位技术研究

(潞安集团物资供应处，山西长治046000)

0 引言

随着我国煤矿综采工作面机械化和智能化程度的提升，对采煤机过程稳定性和安全性的要求也越来越高。煤矿井下工作环境特殊，因此稳定的电力供给是生产、运输、照明和通风的重要保障。同时，由于井下各种用电设备较多，因此需铺设大量电缆。但煤矿生产环境复杂，液压支架、输送机等设备需频繁移动，加之巷道围岩坠落等，都易对电缆造成破坏，发生短路、漏电等故障。故障发生后，单纯依赖人力对故障位置进行排查，准确性差，且极为耗时，对煤矿连续生产的影响较大。

为保证井下用电安全，我国煤矿一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的连接方式，当出现单相接地故障时，由于对地电阻较大，因此漏电电流小，不会造成人身触电，但此时该相与非故障相的相对电压增大，若处理不及时，容易引起相间击穿，从而扩大故障影响范围，严重威胁煤矿安全生产。

由此可知，研究和解决井下电缆故障点的准确及时定位，对于煤矿生产稳定性和安全性的提高意义较大，本文将重点对此进行研究。

1 井下电缆故障分类

井下电缆常见故障类型包括断路、漏电、短路等，但按照故障位置阻抗大小区分，可分为高阻故障和低阻故障两类：

(1)高阻故障：一般指故障发生点的直流电阻显著大于电缆自身的特性阻抗，例如断路、高阻泄漏和闪络性故障等。其中断路表明线缆的一相或者多相的金属导线，在外力作用下断开，从而截断电流通路，电阻值无限大；高阻泄漏则是指故障点的电阻值极大，漏电电流随着电压升高而增大；闪络性故障是指只有当电压升高至某一数值时，线路故障点才会发生泄漏。

(2)低阻故障：是指回路中的电阻值降低，使故障区段的线路阻抗接近导线自身电阻，例如短路等。

2 电缆故障点定位步骤

图1 电缆故障点定位步骤

由于井下电力系统复杂，因此在发生电缆故障后，应通过科学、合理的步骤对故障类型和故障点位置进行排查，以提高故障排除效率，具体步骤如图1。

第一步，确定故障线路，及时切断电源。该步骤可防止长时间线路故障对电气设备的损坏，同时为故障排除提供安全操作环境；

第二步，确定故障类型。通过电力系统中专用设备的监测，可对各种故障类型进行初步确定。通过该步骤，可为进一步选择故障排除方法提供参考，并有效提高故障排除效率；

第三步，故障点位置粗测。一般情况下，使用阻抗法或行波法，对故障点进行粗测，划定范围，然后再由专人至该范围内精测；

(1)信任前因。本文选取的资产负债率(apl)和营业收入(turnover)两个企业特征变量均在较高的置信水平下显著，前者与能力信任(trust_ab)负相关，后者与能力信任正相关，表明小微企业的负债率越低，营业收入越高，越有助于提升银行对企业的能力信任。

第四步，故障点位置精测。在故障点附近，使用音频感应设备对具体故障位置进行精确定位。

以上步骤中，步骤二和步骤三最为重要。判断故障类型是进行后续检测的基础，而故障点粗测的准确度和精度等信息将决定后续维修作业的工作量，并直接影响着故障电路的电力恢复时间，因此应重点进行研究。本文将对基于TDR的故障定位原理和定位系统建立方法进行研究，为进一步提高故障点的粗测精度提供技术支持。

3 基于TDR的故障定位原理

TDR是时域反射法(time domain reflectometry)的简称，其检测速度快、精度高、安全性好，适宜作为井下电缆故障检测。另外，该方法可同时实现对故障类型和故障位置的判定，且所需检测设备较少，便于操作。

3.1 故障位置检测原理

图2 TDR法故障位置检测原理

TDR法利用了脉冲行波的反射特性，根据电力学中电磁波传输理论可知，当电磁波在电缆中传输时，在阻抗差异点处将发生反射现象，而常见的高阻或低阻故障在故障点处有明显的阻抗变化。因此，如图2所示，可在测量位置向被测电缆内发射一个低压脉冲信号，信号在故障点处发生反射，然后计算入射脉冲与反射脉冲之间的时间差Δt，再乘以相应导线内电磁波的波速v，即可得到测量位置与故障点之间的距离s：

(1)

其中，Δt由专用模块精确测得，测量方法如3.3所述。电磁波在导线内的传播速度v表示如下：

(2)

式中：c为电磁波在真空中的传播速度，c=3×108m/s；μr为线缆外层绝缘材质的相对导磁系数；εr为线缆外层绝缘材质的相对介电常数。

由上可知，电缆中脉冲行波的传输速度与导线的材质、长度等无关，而决定于外层绝缘材料的性质。矿用导线一般为交联聚乙烯绝缘铜芯材料，其μr=1，εr=2.4，则v=194 m/μs。

3.2 故障类型判定方法

(3)

图3 故障点处反射特性

式中：ZL为导线故障位置的特性阻抗；ZC为正常导线的特性阻抗。

当导线发生短路等低阻故障时，故障点处阻抗ZL接近零，此时反射系数ρf=-1。在检测位置注入图3(a)所示正极性脉冲时，反射脉冲为负极性。而当导向发生开路等高阻故障时，故障点处阻抗ZL接近于无穷大，此时，反射系数ρf=1。在检测位置注入图3(b)所示正极性脉冲时，反射脉冲同为正极性。利用以上反射特性，可对故障类型进行判定。

3.3 时间间隔精确测量方法

图4 延迟线法测量原理

TDR法对故障位置的检测精度很大程度上与时间间隔Δt的测量精度有关。为提高Δt的测量精度，可采用延迟线法。该方法将测量时间分为粗、精两部分，如图4，粗测部分利用系统内置时钟电路的固有周期τ进行测量，被测时间间隔Δt可包含α个整数倍的τ；精测部分采用抽头延迟芯片，对剩余时间Γ进行测量。随着集成芯片技术的发展，现代抽头延迟芯片的测量精度可达百皮秒级，极大提升了TDR法中时间间隔的测量精度。

因此，时间间隔Δt可表示为：

Δt=α·τ+Γ

(4)

(5)

4 井下电缆故障定位系统

图5 井下电缆故障定位系统结构

根据以上TDR法检测原理研究，如图5所示，井下电缆故障定位系统主要包括信号处理模块、脉冲发送和收集模块、显示和输入模块三部分。其中，信号处理模块由数据处理芯片、脉冲发生电路、抽头延迟芯片和数据缓存区组成，脉冲发生电路可产生周期τ为10 ns的振动方波，然后经脉冲放大电路放大处理后输入被测电缆；抽头延迟芯片可构建精度在100皮秒以内的延迟线，然后获得精测时间，与粗测模块数据相结合，可测得发射脉冲与反射脉冲的时间间隔Δt；数据缓存区可高速存储测量数据，以供数据处理芯片对全部数据进行整理计算；显示和输入模块可接收由数据处理芯片计算所得结果，显示故障类型和故障距离。

目前，市场在售的信号处理模块SPARTAN6系列FPGA，其集成度较高，功能完善，脉冲发生或抽头延时功能均可满足故障定位功能要求。经测试，根据以上系统结构构建的井下电缆故障定位系统的精度可达1 m左右，具备对短路和开路两种故障的准确定位功能，由此验证了该设计的可行性。