煤矿电缆绝缘性能检测系统设计

王 伟

（西山煤电集团镇城底矿，山西古交 030200）

0 引言

电缆中的绝缘材料一般可以分为固体、液体和气体3种类型，其中，注射绝缘和挤出绝缘是固体绝缘材料常用的方法，被广泛应用在变压器、大功率电机的电力传输中。当电缆绝缘介质出现损坏的时候，将会产生局部放电、漏电等现象，威胁矿井安全生产。因此，对电缆绝缘状态在线监测系统是保证电缆正常运行的重要措施。在本文中，首先对电缆的绝缘故障进行分析，研究当前介质损耗测量的通用方法，并选择作为本系统的监测手段，以80C51单片机为核心，设计相关硬件电路，实现电缆绝缘状态的在线监测。

1 特征量选取

电缆在使用一定年限之后，会出现不同程度的老化，这被称为“老化现象”，造成电缆老化的原因主要包括：热老化、机械老化、电压老化。当电缆温度升高时，绝缘介质的性能不断下将，内部的氧化反应加快，造成电缆的老化，这种现象也被成为“化学老化”；机械老化主要表现为电缆受到挤压、强力拉伸之后出现裂缝，如果长时间没有处理，裂缝的空间将逐渐增大，最终可能导致绝缘放电现象；电压老化体现为电子对绝缘介质的损坏或者电缆内部电流放热产生的焦耳热，分别可以用“电击穿”和“热击穿”理论进行解释[1]。

1.1 温度

电缆线芯温度是判断电缆绝缘状态的重要参数，通过对电缆的线芯温度进行实时检测，可以判断电缆是否处于过负荷状态，并可以根据“热击穿”的相关理论对电缆绝缘的老化过程进行评估。在实际的温度检测中，无法将传感器放置于电缆线芯位置，因此，在测得电缆表面温度和周围的环境温度之后，需要通过电缆温度场的进行线芯温度的推导[2-3]，计算公式如下：

式中：Ts为绝缘层表面温度；Wd为绝缘层介质损耗；k为空气的导热系数；r2为绝缘层外半径；r1为绝缘层内半径；qs为绝缘层外表面传热速率。

1.2 介质损耗

电力电缆在进行交流电的额传输时，电缆外层的绝缘物质处于交变的电流磁场下，会产生电导损耗、极化损耗和局部放电损耗，并在绝缘层的内部产生能量损耗[4]，影响电力电缆介质损耗大小的主要因素包括：通电电流的频率、电缆绝缘层的温度以及电缆中是否存在其他杂质[5]。

在考虑煤矿电缆介质损耗因素时，电缆的电路模型及向量图如图1所示。电缆的绝缘介质包括容性部分和阻性部分，可以用一组等效阻容电路表示，因此，流过电缆的包括流过电容的容性电流IC和流过电阻的阻性电流IR两个组成部分，其中容性电流超前电缆电压U的相角为90°，当电路中流过标准正弦电压时，实际电缆中电流超前电压的相角为π/2-δ，δ为介质损耗角，tan δ为介质损耗因数，由图可知：

图1 电路模型及向量图

2 介质损耗测量方法研究

2.1 谐振法测量原理

为了能够准确反映电力电缆的绝缘状况，需要对电缆的介质损耗角进行实时巡回监测，常用的方法包括高压交流平衡电桥法、瓦特表法、谐振法[6]。其中，谐振法[7-8]是通过对电缆绝缘层的电压信号和电流信号进行同步采样，然后运用计算机进行谐波处理，得到基波电流信号和基波电压信号的相位差，进而推算介质损耗角δ。

根据现场监测数据分析及工程实际经验，可以得出：当tan δ＜0.2%时，判定电缆绝缘状态良好，工作正常；当0.2%＜tan δ＜5%时，判定电缆绝缘状态应当进行长期监视；当5%＜tan δ时，判定电缆绝缘异常，立即进行检修或者更换。

2.2 介质损耗因数测量

通过电压互感器TV和电流互感器TA分别测量电缆上的电压和电缆绝缘层上的电流，利用相关电路提取电压和电流的相位关系，从而实现对介质损耗因数的在线检测。测量原理如图2所示，TV和TA完成电气参量的采集之后，通过移项装置和平衡电路测量两者的相位差，此外还可以得到电缆的对地电容C的值。

图2 tan δ测量电路

3 硬件电路设计

在对电缆绝缘检测中的相关特征量进行提取和分析之后，需要设计相关硬件电路对特征参量进行循环采集与处理，并根据检测结果判定电缆绝缘层的实时状态。在本系统中，选择AT89C51单片机进行数据采集，该芯片是一个具有较高性能的8位高性能微处理器，自带4 k字节的FLASH存储器。以AT89C51单片机为核心的电缆故障检测相关电路设计如下。

3.1 温度在线监测电路

温度测量传感器选择为PT100传感器，该传感器是一种具有正温度系数的热敏电阻，内部电阻随温度的变化而发生线型变化，通过测量电阻两端电压值即可得到环境温度，具有测温范围广、测量精度高的特点。

基于PT100的测温电路原理图如图3所示，利用桥式电压采样电路提高电路采样精度，通过调节滑动变阻器的值，可以将基准电压调整为2.5 V，即为“2”处的电压，利用“2”处的电压值作为基准值，利用“1”处的相对电压值作为测量结果，测量电压经过放大电路输入到单片机的模拟量采集引脚，

图3 PT100测温电路

3.2 AD转换电路设计

本系统中，多处需要进行模拟量的采集，利用ADC0809设计相关模拟量采集电路[9]，该芯片是一种具有8位分辨率的模拟量采集芯片，可以输入8路的模拟量信号，并通过8个模拟开关对输入通道进行选择。在使用过程中，不需要对基准电压进行调零操作，方便用户的使用。

电路接线图如图4所示，IN0～IN7为模拟量输入引脚，D0～D7为数字量输出引脚，信号输出受“OE”引脚控制，“START”引脚为启动转换脉冲输入端，“CLOCK”引脚接时钟信号输入。当模拟电压的范围是0～+5 V时，可以将参考正电压选择为+5 V，参考负电压接地，此时输入电压的最小分度值为5 V/28=0.02 V。

图4 ADC0809电路

4 系统软件设计

为了实现对电缆绝缘状态的在线监测，本系统中利用89C51进行数据采集于发送，软件编译平台选择为Keil 5软件。软件流程如图5所示，系统上电后，首先打开看门狗，这样做的目的是防止程序跑飞，当程序执行到某一循环不能跳出时，自动进行复位。之后进行温度数据采集并利用公式（1）反演线芯温度；在介质损耗的测量中，利用电压互感器和电流互感器测得电缆上的电压和电缆绝缘层上的电流，根据公式（2）中电流的关系计算介质损耗因数tan δ。当5%＜tan δ时，判定电缆绝缘损坏，发出报警信号。

图5 软件流程

5 结束语

本系统针对煤矿电缆在运行过程中容易出现的老化、损坏等故障，设计绝缘状态在线监测系统。首先对表征电缆绝缘特性的特征餐量，如温度、介质损耗等参量进行分析，详细介绍了基于谐振法的介质损耗测量原理。基于以上特征参量的分析，设计以PT100为核心的温度检测电路和以ADC0809为核心的模拟量采集单元，可以实现8路模拟信号8位分别率的模拟信号在线检测，根据系统监测需要编写软件程序。