云岗矿井下高压供电网络绝缘监测研究

辛 磊

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037001）

1 概况

云岗矿位于大同市西郊，年生产能力450 万t，井田面积59 km2，主要开采大同侏罗纪煤系。煤层构造简单，断层较少，倾角小。近年来井下作业机械化和自动化程度极大提升，井下高低压配电系统进行了多次扩容，尤其是高压电网结构越来越复杂，故障频发。统计发现高压电网的漏电故障发生率最高，约占总故障率的75%。之所以漏电故障频发与井下潮湿且粉尘浓度高等工况环境有极大关系，电缆设备的绝缘性无法有效保障[1]，而改造扩容的高压电网抵御故障能力偏弱，很大程度上制约了煤矿生产作业能力。云岗矿井下高压电网电缆沿着井下巷道设置，绝缘故障监测时干扰信号多，故障特征信号难以提取[2]，在线绝缘监测效果不好。因此采用有效的电缆绝缘特征信号提取方法[3]，降低干扰信号对绝缘监测的影响，提升井下高压供电网络绝缘在线监测的精准性，是云岗矿降低井下高压电网漏电故障影响的最佳途径。

2 井下电缆绝缘在线监测原理

电缆绝缘性能降低机理是[4]：电缆绝缘层中存在气体或水分等杂质，绝缘层与其他固体层之间紧密连接程度降低，在供电时会出现局部电场不均匀现象。局部电场过强则会导致放电，称为树枝老化。随着老化程度加重，放电由最初的0.05～0.2皮库（pc）增大至数万倍，通过监测放电信息可判断电缆的绝缘性能。电磁耦合法相较于其他PD 信号检测方法而言，既不需要对监测电缆进行破坏，也不用提前安装信号提取仪[5]，且能够很好屏蔽掉井下巷道风噪、设备运行噪音以及高斯白噪音对信号提取的干扰，较大程度保留PD 信号信息，故选择该方法进行监测。监测原理[6]：在井下电缆非埋地部分处装置高频电磁耦合传感器用于电缆局部放电信号，对采集到的脉冲电压信号利用高频同轴电缆输送至系统的电信号采集模块进行信号预处理后传至监测系统上位机进行特征提取、降噪运算等核心运算处理。在线绝缘监测系统架构如图1。

图1 基于PD 信号的电缆绝缘在线监测系统架构图

3 井下电缆绝缘在线监测系统设计

3.1 硬件设计

设计的井下电缆绝缘在线监测系统主要硬件包括：高频电磁耦合传感器、信息采集模块、数据处理模块、光电转化模块以及上位机运算系统。高频电磁耦合传感器作为电缆放电信号原始数据采集元器件，以脉冲信号方式输出电缆放电信息至信号调理电路进行滤波和放大处理[7]，经数据处理模块和光电转化模块转化后，通过光纤与信息接收模块通信。上位机与信息传输模块采用RS-485 总线方式，上位机系统对接收到的信号降噪处理后，将信号以波形图形式在MSO7034B（最大采样率 2 GSa/s）波形显示器上显示，系统结构如图2。

图2 井下电缆绝缘在线监测系统结构图

1）高频电磁耦合传感器

高压电缆绝缘性能降低产生的局部放电特点是出现周期不定、发生时间短、频谱范围相对较大等，因此电流传感器的选择是关键。基于监测信号特点，考虑到传感器的稳定性和分辨率，选择自积分形式的罗氏线圈电磁耦合传感器，频率上限（fH）和下限（fL）计算公式为[8]：

式中：Ls为高频电磁耦合传感器的自感电阻，Ω；Rs为高频电磁耦合传感器的等效电阻，Ω；R为高频电磁耦合传感器的积分电阻，Ω；Cs为高频电磁耦合传感器的杂散电容，F；

通过频率上下限计算公式可以看出，增大自感电阻能够扩大电流传感器的工作频带宽，可以通过增加线圈匝数来实现，但会使传感器的灵敏度降低，增大积分电阻可以提升灵敏度但降低工作频带宽，因此通过试验不同自感电阻和积分电阻比值的高频电磁耦合传感器确定最佳设计值。

2）信息采集模块

信息采集模块的设计要完成输入信号的滤波和放大处理，硬件架构主要包括了低通滤波电路、信号调理电路、数模转化模块、DSP、FPGA 处理器等，如图3。

图3 数据采集模块图

3.2 软件设计

上位机对监测电缆局部放电信号提取后还会存在干燥信号影响到系统判定[9]，采用VMD 和信息熵的局部放电信号降噪算法进行降噪处理，降噪算法流程如图4。采用VMD 对初始信号进行分解，得到数量为K的本征模态函数，对本征模态IMF 分量频谱分析运算，得出每个分量的中心频率，完成本征模态函数数量K数值的计算，计算模态函数的IMF 熵值，选取特征分量进行信号重构，即可实现局部放电信号的降噪分析，将降噪后的放电信号作为电源绝缘性能判定指标。

图4 系统监测局部放电信号降噪算法流程

4 应用效果

为了验证基于局部放电降噪算法的高压供电网络电缆绝缘监测系统实际效果，云岗矿对系统进行实验室工况环境和井下实际工况环境分别测试，实验室工况模拟来验证系统对PD 信号的降噪效果，井下实际工况则验证系统的功能性。

4.1 实验室测试

利用煤矿现有资源搭建了高压供电网，由一台变压器和6 个高爆开关组成，对电网的6 kV 矿用高压电缆绝缘层破坏后，系统监测的波形如图5。系统波形显示器上显示了一组PD 信号，未经过降噪处理时（图5a）含白噪声信噪比为-2.31 dB，降噪处理过程中K 值取5，IMF 分量信息熵分别显示为0.719 7、0.687 9、0.670 2、0.504 3、0.378 1，选取2、4、6 分量重构后得到降噪后波形（图5b），信号信噪比为12.25 dB，通过该试验验证了系统降噪效果完全达到设计目标。

图5 实验室模拟电缆绝缘破坏系统监测波形图

4.2 实际工况测试

选择井下设备噪音、谐波源丰富的掘进巷道的某条6 kV 高压电缆为监测对象，监测系统功能。现场将系统互感器卡在MYJV 型6 kV 高压电缆外屏蔽层上，采集PD 信号，见图6（a）所示。为了避免电缆周围的高频磁场对电路板产生电磁干扰，将制作完成的绝缘监测电路板和数据传输模块都放在了铝制屏蔽盒。波形显示器监测到的电缆实际运行实时波形图为图6（b）所示，波形图中包含了大量噪点，波形混乱无法作为判定电缆绝缘信息的PD 信号，开启自动降噪功能后，得到电缆局部放电量图谱图6（c）。经降噪处理后只保留了40 pc的放电量，通过放电量与绝缘状态对应关系表1 可以看出，该条电缆状态良好，可列入计划性检修。

表1 电缆局部放电量与绝缘状态关系表

图6 实际工况下电缆绝缘监测系统试验图组

系统对电缆局部放电信号的监测信号携带大量噪声信息，系统将原始放电信号经变分模态分解后根据信息熵准则选取特征分量并信号重构，得到降噪波形满足煤矿高压供电网络电缆绝缘性能监测需求，而系统抑制噪声后放电信号幅值减小值在4%左右，说明系统对PD 信号削弱在合理区间内。

5 结语

针对云岗矿高低压配电系统经多次扩容，复杂程度增加，但由于井下恶劣工况，高压电网漏电故障频发的问题，进行电缆绝缘性监测研究，形成以下结论：

1）井下电缆绝缘在线监测系统利用高频电磁耦合传感器对电缆局部放电信号进行采集，将信号通过高频同轴电缆输送至系统的电信号采集模块进行信号预处理后传至监测系统上位机进行特征提取、降噪运算等核心运算处理；

2）采用VMD 和信息熵的局部放电信号降噪算法对局部放电信号降噪分析，得到的电缆局部放电量图谱图作为电缆绝缘性能评价依据；

3）通实验室测试和实际工况测试两种方法对电缆绝缘监测系统的PD 信号降噪效果和绝缘性测定功能进行了测试，试验结果达标。