煤矿井下6kV动力电缆绝缘线监测系统的设计与应用

孙延民

摘要：随着煤炭产业的发展，电缆供电在矿井中的应用变得愈加重要。恶劣的井下环境和电缆老化等问题使得绝缘安全性成为供电系统中的一个主要挑战。传统的离线检测方法效率低下且准确性有限，因此，需要一种更高效、更可靠的解决方案。分别从系统功能分析、硬件设计以及软件设计等方面探讨了6kV动力电缆绝缘线监测系统设计，在此基础上，进一步分析该监测系统的实际应用效果，结果表明该系统能够实时发现潜在的绝缘问题，并提供远程管理和控制功能，进而为煤矿井下生产工作的顺利进行提供可靠保障。

关键词：煤矿；6kV动力电缆；绝缘线监测系统

一、前言

随着我国煤炭工业的快速发展，对煤矿井下电力供应系统的安全性和可靠性要求越来越高。在这一背景下，6kV动力电缆在井下矿井中被广泛应用，为矿井提供了必要的电力供应。然而，由于井下环境的特殊性以及电缆长时间使用过程中的老化或局部放电等因素，电缆绝缘老化问题成为井下供电系統的重要安全隐患。当电力电缆的绝缘老化问题无法及时被检测和处理时，可能会导致供电系统的故障，甚至引发严重事故。因此，为了保障动力电缆的安全运行，需要对其绝缘线的工作状态进行实时监控。

二、6kV动力电缆绝缘线监测系统设计

（一）系统功能分析

1.实时监测电缆系统绝缘性能参数

监控系统的核心功能之一是实时监测电缆系统的绝缘性能参数，包括绝缘电阻和电容值等关键参数。为了实现这一功能，系统设计了专门的信号采集模块，该模块负责实时采集电缆系统的低频电源电压和电流信号。这些信号源自电缆系统本身，不需要停电操作，能够连续、实时地获取电缆的电气性能数据。采集的数据会传输至监控系统终端，进行数据处理和分析，以便得到电缆的实时绝缘电阻和电容值。这些参数是评估电缆绝缘性能的关键指标，能够帮助监控人员了解电缆的健康状况。系统会不断更新这些参数，以便及时发现任何绝缘问题或异常情况，并通过警报系统提醒操作人员采取必要的措施，确保供电系统的安全性和可靠性。

2.及时发现和分析绝缘问题线路

在煤矿井下供电系统中，电缆绝缘老化或故障可能随时发生，而系统需要能够迅速检测这些问题并提供准确的信息。为实现这一功能，监控系统会对采集到的电缆绝缘性能参数进行实时分析和比对。如果检测到电缆的实测绝缘电阻值低于标准值或出现异常趋势，系统将发出警报信号，指示监控人员可能存在绝缘问题的电缆线路。除了警报功能，监控系统还会提供详细的信息，包括哪一条电缆出现绝缘问题以及实测绝缘电阻值的具体数值。这样，监控人员可以快速定位问题线路，减少故障排除时间。此外，系统还可以记录历史数据和绝缘电阻变化趋势，帮助分析电缆的绝缘状态，预测潜在的问题，以便采取预防性措施，确保供电系统的可靠性。

3.远程管理和控制

在煤矿井下供电系统中，监控人员通常需要实时了解电缆的绝缘状态和性能参数，并采取必要的措施来应对绝缘问题。为了实现这一功能，监控系统设计了远程管理和控制模块，使监控人员能够通过远程方式管理和控制电缆系统。

通过监控系统，监控人员可以从地面变电所或其他地方远程访问系统，查看电缆的实时绝缘性能数据、历史数据和变化趋势，使他们能够及时了解电缆的状态，并在必要时采取措施。监控系统还提供了远程控制功能，监控人员可以通过人机交互界面发出控制指令，例如切断故障电缆、启用备用电缆，或者调整电缆工作状态。这种远程控制功能允许监控人员迅速响应绝缘问题，减少停电时间和供电中断，提高供电系统的可靠性。远程管理和控制功能不仅提高了监控人员的工作效率，还减少了他们在井下的风险，因为他们可以避免进入危险的环境[1]。

（二）硬件设计

1.总体结构和模块介绍

硬件设计是监控系统的关键组成部分，它需要确保监测设备能够可靠地采集电缆的绝缘性能参数，并将这些数据传输到监控系统中进行处理和分析。

硬件设计通常包括以下主要模块：低频电源模块、电压电流互感器、信号调理电路、数字量/模拟量采集电路、DSP中央处理器、CAN总线通信、键盘输入、电源、时钟、显示等模块。这些模块共同协作以实现电缆绝缘性能参数的实时监测和数据传输。

模块介绍：低频电源模块提供电源供应给其他模块，并确保电源的稳定性和可靠性。电压电流互感器模块用于实时监测电缆的低频电压和电流信号，这些信号是计算绝缘性能参数的基础。信号调理电路模块对采集到的信号进行处理，包括放大、滤波和调整信号的幅值和相位。数字量/模拟量采集电路模块负责将处理后的信号转换为数字量信号，以便DSP中央处理器进行进一步的数据处理和分析。DSP中央处理器模块是监控系统的核心，它接收并处理来自采集模块的数据，计算绝缘性能参数，进行数据分析，并根据需要将数据传输到CAN总线通信模块。CAN总线通信模块负责将数据传输至监控主站，以便监控人员实时监测和管理电缆的绝缘状态。键盘输入、电源、时钟和显示模块等其他模块用于系统的设置、操作和信息显示，以保证监控系统的全面功能。

2.选用的传感器和器件

在监控系统的硬件设计中，选择合适的传感器和器件对于确保系统的性能和稳定性至关重要。

首先，为了实时监测电缆的电压和电流信号，监控系统采用了电压电流互感器。这些传感器能够将电缆中的电压和电流转换为可测量的电信号，并输出给监控系统进行后续处理。对于电流的监测，选用了闭环霍尔型高精度电流互感器，其具有较高的精度和线性度，可以准确测量电缆中的电流。对于电压的监测，使用了霍尔电流型电压互感器，它具有广泛的电压范围和较高的测量精度，适用于多种电压情况下的监测需求。其次，为了实现信号调理和预处理，监控系统采用了信号调理电路。这些电路包括放大、滤波和去噪等功能，用于确保从传感器获取的信号稳定、准确且符合系统要求。信号调理电路的设计需要考虑电缆系统中可能存在的干扰和噪声，并采取适当的措施来抑制这些干扰，以保证信号的质量。最后，为了将模拟信号转换为数字信号以进行数据处理和分析，监控系统使用了高精度的A/D模块（模拟/数字转换器）。选用的A/D模块型号为ADS8365，具有16位并行数据传输功能，能够进行6路模拟信号的同步采样与转换。这种高精度的A/D模块能够确保采集到的信号在数字化过程中保持准确性和精度，以便后续的绝缘电阻计算和数据分析[2]。

（三）软件设计

1.主程序流程

监控系统的软件设计是确保硬件模块协调运作并提供准确数据的关键组成部分。主程序流程是软件的核心，以下是主程序流程的详细介绍：

第一是系统初始化。在启动监控系统时，首先进行系统初始化，分配资源，建立通信连接，配置参数，准备开始监测电缆的绝缘性能。第二是测频程序，监控系统开始测频程序，该程序负责获取电缆上的低频电压和电流信号。这些信号是计算电缆绝缘性能参数所必需的。第三是A/D采样程序，采样程序会连续地获取电压和电流信号，并将信号转化为数字信号以便进一步处理。通常，监控系统会采用高速采样以确保数据的准确性和及时性。第四是数据处理和模量运算，获取的数字信号经过数据处理模块，进行傅里叶分解运算以计算电缆的绝缘电阻和电容值。这一过程通常包括使用特定的算法和公式来处理信号数据，以确保准确的结果。第五是絕缘电阻计算，根据数据处理的结果，计算电缆的绝缘电阻。系统会将实测的绝缘电阻值与标准电阻值进行对比，如果出现电缆绝缘电阻实测值小于标准值的情况，系统会触发报警程序。最后是报警程序，如果监控系统监测到电缆的绝缘电阻存在异常，将启动报警程序，包括发出声音警报以提醒操作人员，同时在监控界面上显示有关故障电缆的信息，包括电缆编号和实测绝缘电阻数值。

2.数据采集程序

数据采集程序是监控系统的重要组成部分，负责实时获取电缆系统的低频电压和电流信号，以便后续的数据处理和分析。

数据采集程序首先依赖于电压电流互感器模块，这些传感器负责在电缆上监测电压和电流的变化。首先，互感器会将这些信号转化为小电流信号，并将小电流信号传递给监控系统的信号调理电路。信号调理电路的任务是处理传感器输出的信号，包括放大、滤波和调整信号的幅值和相位，以确保采集到的信号是稳定且准确的。其次，一旦信号被调理，数据采集模块将使用高速A/D（模拟/数字）转换器进行采样。这个过程通常以固定的时间间隔进行，以保证连续不断地获取电缆的电压和电流数据。因为绝缘性能可能随时间发生变化，采样周期通常很短，以确保高频率的数据更新。最后，采集到的数据以数字形式传输到监控系统的主处理器（通常是DSP中央处理器），进行进一步的数据处理和分析。数据采集程序通常负责管理和维护这些数据，确保数据的准确性和可靠性。数据采集的频率和精度对于监控系统的性能至关重要，必须根据特定的监测要求进行精心设计和配置。

3.数据处理程序

数据处理程序在监控系统中扮演着关键的角色，它负责接收来自数据采集程序的电压和电流信号数据，并进行傅里叶分解运算以计算电缆的绝缘电阻和电容值。

首先，数据处理程序接收来自数据采集模块的原始电压和电流信号数据。这些数据通常以数字形式存储，并以连续的方式传递给数据处理程序。数据处理程序需要确保数据的完整性和准确性，通常包括数据校验和纠错功能。其次，数据处理程序使用傅里叶分解算法对电压和电流信号进行分析。傅里叶分解是一种数学方法，可以将信号分解成不同频率的成分，对于计算绝缘电阻和电容值非常重要。程序将信号分解为基本频率成分，然后根据这些成分进行计算，以获得电缆的绝缘性能参数。数据处理程序还需要进行数据的滤波和平滑处理，以减少噪音和干扰对结果的影响。这些处理步骤有助于提高数据的准确性和稳定性。最后，数据处理程序将计算出的电缆绝缘电阻和电容值传递给主程序流程，以供进一步的分析和比较。如果监控系统监测到电缆的绝缘性能存在异常，数据处理程序还可以触发报警程序，通知操作人员采取相应的措施。

4.CAN总线通信程序

CAN总线通信程序是监控系统的重要组成部分，它负责将监测到的电缆绝缘电阻数据传输至地面变电所，并与人机交互界面进行实时通信。

首先，CAN总线通信程序使用CAN总线模块与地面变电所建立通信连接。CAN总线是一种可靠的数据通信协议，适用于工业环境下的高噪声和干扰环境。通过CAN总线，监控系统可以将数据以数字信号的形式传输到地面变电所，确保数据的可靠传输。其次，在通信程序中，监测终端会将实测的电缆绝缘电阻数值编码并打包成CAN总线数据帧，然后通过CAN总线模块将数据帧发送至地面变电所。数据帧通常包括电缆编号、实测绝缘电阻值、时间戳等信息，以便地面变电所进行识别和记录。再次，地面变电所接收到CAN总线数据帧后，会进行数据解析和处理。CAN总线通信程序在地面变电所的一端负责接收、解析和存储数据，同时将数据传递给人机交互界面进行实时显示。监控人员可以通过界面查看电缆的绝缘状态，包括实时绝缘电阻值和历史数据，以及绝缘电阻的变化趋势。最后，CAN总线通信程序还具备远程控制的功能。监控人员可以通过人机交互界面发出相应的控制指令，例如，远程切断电缆电力供应，以便及时应对绝缘故障情况。这种远程控制功能有助于提高电缆供电系统的安全性和可操作性[3]。

（四）人机交互界面设计

1.界面设计工具和语言选择

在监控系统中，人机交互界面的设计对于操作人员能够有效地监测电缆绝缘性能至关重要。为了得到直观、易用和功能强大的界面，通常会选择合适的界面设计工具和编程语言。

首先，界面设计工具的选择是关键。常见的界面设计工具包括Visual Basic（VB）、C语言、C++以及专用的组态软件等。在选择工具时，需要考虑到界面的灵活性、易于定制和用户友好性。一些组态软件如LabVIEW、HMI等专门为监控系统设计提供了强大的界面开发功能，使得设计人员可以轻松创建可视化的监控界面，同时提供了丰富的控件库和图形编辑功能，以便更好地呈现数据和结果。其次，编程语言的选择也是重要的。根据界面的复杂性和功能需求，可以选择不同的编程语言。VB通常用于快速开发简单的界面，C语言和C++则更适用于开发高度定制化的、功能复杂的界面。选择合适的编程语言可以提高界面的性能和响应速度，并支持更高级的用户交互功能[4]。

2.主界面功能和报警系统

监控系统的主界面扮演着关键的角色，它必须设计得具备多重功能以确保电缆绝缘性能的有效监测和管理。

首先，实时数据显示。主界面应提供电缆系统绝缘性能的实时数据，包括电缆对地的绝缘电阻和电容值。这些数据可以以数字形式清晰呈现，也可以通过图形方式展示，例如，曲线图或柱状图可以直观地了解电缆的当前状态和变化趋势。其次，报警系统。主界面需要集成强大的报警系统，以便及时响应任何电缆绝缘性能的异常情况。如果监测系统检测到电缆绝缘电阻或电容值超出了预设的安全范围，它应能够触发报警。报警通常包括声音和视觉提示，同时显示异常电缆的编号和具体的异常数值，以便快速定位问题并采取必要的措施[5]。

三、6kV动力电缆绝缘线监测系统的应用分析

（一）系统应用于某煤矿井下的实际情况

在某煤矿的实际应用中，该系统实时监测了煤矿井下电缆系统的绝缘性能参数，包括电缆对地的绝缘电阻和电容值。监测过程不需要停电离线检测，因为系统能够在供电工作时进行监测，避免了对煤炭采掘工作的影响。同时，监控系统具备报警功能，一旦检测到电缆绝缘性能异常，系统将立即发出声音警报并在主界面上显示异常电缆的编号和数值，以便操作人员能够快速响应。

（二）效果评估

监控系统的应用在某煤矿井下电力电缆绝缘线监测中带来了多项显著的效益。

首先，通过实时监测电缆系统的绝缘性能参数，系统成功减少了人力资源的消耗。传统的绝缘检测方法需要定期停电和人工检测，不仅占用了大量的人力资源，还对煤炭采掘工作造成了中断。监控系统能够在供电工作时持续监测，无需人工干预，因此节省了大量人力资源，使工作人员能够更专注于其他关键任务。其次，监控系统显著降低了绝缘故障的排除时间。一旦系统检测到电缆绝缘性能出现异常，它会立即发出声音和视觉警报，并在界面上显示异常电缆的详细信息，使操作人员能够快速响应，并快速定位和解决问题，從而减少了排除故障所需的时间。相比传统的离线检测方法，排除故障的时间缩短了近30％，有助于更快地恢复供电系统的正常运行。再次，煤矿内部电力设备的利用率得以显著提高。由于供电系统的稳定性和可靠性得到改善，煤矿的生产效率也随之提高。绝缘故障的减少意味着生产中断的减少，进一步增加了煤矿内部电力设备的利用率，对于煤炭采掘工作的效率和产量提高起到了积极作用。最后，监控系统的应用将为企业带来可观的经济效益。根据统计数据，系统的应用预计每年将为企业新增约150万元的经济效益，包括节省的人力资源成本、减少的绝缘故障排除成本以及提高的生产效率所带来的收益，有助于企业降低运营成本，提高矿井的盈利能力，并为可持续发展奠定更坚实的经济基础。

四、结语

综上所述，煤矿井下6kV动力电缆绝缘线监测系统的设计与应用，不仅有助于改善供电系统的运行状况，还能提高矿井的生产效率和经济效益，进而为煤矿工业的发展提供有力的支持，也为其他类似领域的绝缘监测系统的研究和应用提供了有益的参考和借鉴。

参考文献

[1]王二强.煤矿井下6kV动力电缆绝缘线监测系统的设计与应用[J].矿业装备，2022（06）：132-133.

[2]李忠奎，叶锦娇.煤矿井下动力电缆绝缘在线监测技术研究[J].煤矿机械，2016，37（12）：20-22.

[3]张勇.井下10kV动力电缆绝缘在线监测系统研究[J].煤炭与化工，2016，39（09）：103-105.

[4]董鹏飞.煤矿井下6kV动力电缆绝缘在线监测系统研究[D].焦作：河南理工大学，2015.

[5]董爱华，刘增印，耿新林，等.煤矿井下动力电缆绝缘在线监测的研究[J].控制工程，2013，20（05）：873-876.

责任编辑：张津平