浅谈煤矿高压动力电缆绝缘故障系统的研究

浅谈煤矿高压动力电缆绝缘故障系统的研究

张颖姣

江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405

摘要:本文介绍了矿井高压动力电缆绝缘故障监测系统应用，分析了煤矿高压供电系统作为高危行业的特殊性要求，供电系统高压电缆在线监测供电系统的绝缘状况、实现预警、故障定位、接地选线功能，是供电管理的重要技术手段，阐述了系统特点及先进性，实践表明在系统应用提高了企业机电管理人员电力系统的监管水平，提高企业经济效益和社会效益。

关键词:电缆绝缘；预警；故障定位；接地选线

神东保德煤矿是国家能源集团神东煤炭集团公司一座在山西省的大型煤炭生产基地，由原保德县东关镇煤矿和桥头煤矿技术改造整合而成。井田南北走向长14.0km，东西倾向宽5.7km，面积55.898km2。由于生产系统的特点，井上、下大量应用高压动力电缆，电缆运行直接影响煤矿的生产，一旦发生电缆故障，势必引起采掘生产、矿井通风、排水、压风等生产系统事故，造成了煤矿的重大生产经济损失、人员伤亡和其他次生灾害。目前每年做的电缆局放和耐压试验，存在以下问题:一是从根本上不能体现电缆绝缘水平的真实情况；二是耐压试验是一种破坏性试验，试验的同时也是对电缆绝缘的破坏；三是随着矿井对供电可靠性的要求越来越高，不能长期在线监测。

目前煤矿井上下高压供电系统普遍应用小电流接地系统、绝缘监测装置均不能解决上述问题，是煤矿供电长期存在的痛点。为此，自动化改造保德煤矿供电装置，保德煤矿一直希望在供电系统高压电缆故障发生之前能够给出报警信息，形成预警系统，提前采取措施去除隐患，避免突发短路造成大面积停电。另外，能够快速准确选线和判断故障位置。以下为保德煤矿高压动力电缆绝缘故障系统的设计方案。

1 高压动力电缆绝缘故障系统设计

保德煤矿高压动力电缆故障预警监测系统主要包含:地面远程主机(云端服务)、系统采集单元及各监测装置(含高频传感器)，系统的结构如图1所示。

图1 系统结构图

1．1 地面远程主机

地面远程主机设置在矿调度指挥中心，调度指挥中心设置一台操控站，通过操控站对井下所有高压电缆系统相关设备进行集控和监视。操控站分为硬件和软件两部分:

①硬件设备:工业控制计算机、显示器等；

②软件:监测、控制组态软件。

地面远程主机采用基于B/S方式的系统管理软件，采用局域网方式与监测装置通信，配置装置的参数设值，通过上位机通信实现远程服务。系统还附带云端访问功能，通过任意一台联网计算机，查看电缆在线监测系统运行情况、设备运行情况以及线路告警信息等。煤矿高压动力电缆绝缘故障监测系统采用全网络化设计，为每个装置分配不同的IP地址，一个装置可实时在线检测16条交联聚乙烯或橡套高压动力电缆。系统可在设定时间段内，连续监测和记录被测动力电缆发生“可恢复故障”的次数以及瞬时电磁暂态信号的强度和形态，作为故障预警、选线、测距的特定判据。

1．2 系统技术指标

①电流信号采样频率:10MHz×16路；②电压信号采样频率:100kHz×4路；③电流单端故障测距范围:≤17km(可定制)；④系统定位精度:±4．25m；⑤同步授时精度:10ns；⑥测试盲区:≤10m；⑦电缆故障预警准确率:≥95%；⑧电缆故障选线准确率:≥99%；⑨与云端通信方式:无线4G、5G通信；⑩系统装置通信方式:网口；1云端服务器:免费3a云服务；12系统上位机:品牌工控机；13系统扩容:可支持组网253台监测单元；14系统供电方式:AC127V±10%；15系统工作环境温度:－25~+70℃；16系统在线运行:＞80000h。

1．3 系统采集单元

保德煤矿选择井下1号中央变电所、2号变电所、三(下)盘区水泵房变电所、康孙62连巷变电所、五盘区井底水泵房变电所、集中巷变电所六个变电所15段母线及其母线下三芯电缆的在线监测，系统监测方式为站内集中式监测，在变电所低压侧选择合适位置安装矿用隔爆兼本安型高压动力电缆绝缘故障分析主机，高压侧选择合适位置安装矿用本安型电流采集器。

1．4 GPC电流行波探头

GPC电流行波探头安装在被监测交联聚乙烯电缆金属屏蔽层接地线上，负责监测被测电缆的暂态电流行波信号，探头按照箭头指示方向固定在电缆屏蔽线上，注意屏蔽线处安装探头之前需要进行绝缘处理。探头与矿用本安型电流行波采集器之间通过多芯同轴电缆连接。

1．5 GPD电流行波探头

GPD电流行波探头安装在被监测橡套电缆本体上，负责监测被测电缆的暂态电流行波信号，探头与矿用本安型电流行波采集器间通过多芯屏蔽线连接。

1．6 通信网络

系统主站内通信网络使用内部以太网通道或者光纤通道通信；系统主站与系统云端利用保德煤矿综合分站5G光纤网络通信。

1．7 系统主要功能

①故障预警:实现对供电系统高压电缆、接线盒、供配电设备等绝缘故障分黄色、橙色、红色等级预警，属于煤矿重大设备感知内容，是智慧矿山建设基础；②故障选线:根据行波原理，实现接地选线，可靠实现《煤矿规程》第453条选择性单相接地保护，是小电流接地选线装置的升级换代产品；③故障测距:利用A型测距原理，实现故障点测距，为迅速处理故障提供依据，防止次生灾害和扩大事故；④系统云服务:提供足够的用户空间，用户在任何时间、地点通过浏览器访问现场的系统监测情况，系统历史数据永久存储，方便历史查看；⑤当地功能:系统后台安装于主站内，配置一次系统图，实现故障预警、选线、测距的功能、实时显示母线电压、一次系统图故障线路闪烁、弹窗报警、声音报警；⑥电子值班:实现无人值守，报警信息及工作状态可通过发送短信息、APP推送至相关人员；⑦远程技术支持:7×24h远程服务，实现故障波形辅助分析，系统程序远程升级；⑧历史存储:实现实时存储信息，可查询历史数据等。

2 高压动力电缆绝缘故障系统应用

保德煤矿应用的煤矿高压动力电缆故障预警监测系统，实现高压供电故障预警、接地选线、故障测距等，避免重大供电事故，避免因高压供电事故引

起水、火、瓦斯等重大矿井灾害事故，解决了供电系统维护管理多年来的难题[2]。系统主要有如下好处:

①提高了矿井供电系统自动化水平，有计划地提前采取措施，保证矿井设备运行安全，保障了电网的可靠供电，避免了由于突发停电造成的经济损失。

②从故障选线、故障预警方面做到自动化，大大提高了电力运行人员的工作效率，原来人工查找故障点费时费力，通过安装电缆在线监测系统自动预警电缆故障，节省了大量的时间和人力，提高了工作效率。

③通过实时监测电缆的运行状态，提前预警电缆故障，电缆在故障前得到处理，及时修复或切换，增加了电缆的使用寿命，节省了生产运营成本。可能使用20a的使用期限有可能增加到25a甚至更长，大大节省了原材料成本。

④系统装置结构紧凑，施工安装方便，可长期监测重点站、重点设备、异常设备，系统配置灵活。不改变电缆运行方式和结构，不占用现有系统资源，在电缆接地导体上安装高频传感器，安全可靠。

⑤采用行波故障定位测量法，实现对电缆本体产生的绝缘薄弱点定位，定位精度可达±4．25m。缩短供电故障查找时间。采用高性能FPGA处理器，实现100Msps、14Bit分辨率的高速采样、存储。

系统的成功应用实现交联聚乙烯、橡套等高压动力电缆故障预警。从故障预警、故障选线、故障测距等方面达到技术领先，提高供电可靠性，提高了运维人员工作效率。通过实时监测电缆的运行状态，电缆在故障前得到的处理，增加了电缆的使用寿命，节省了生产运营成本。提高了供电线路监测自动化水平，保障了电网的可靠供电，避免了由于突发停电造成的经济损失。系统软件平台部署在云服务器端，操作人员访问方便，不受时间、地点限制，可实时查看线路运行情况，方便管理。系统响应时间短，当电缆发生暂态故障产生行波信号后，高频传感器在5s内可将采集到的故障信号通过网络通信传递给上位机软件并实时显示故障线路和故障波形，便于值班人员快速分析处理。

3 利用故障系统分析解决高压动力电缆绝缘故障

3．1 高压电缆的检查

煤矿高压动力系统中，会有开关、保护电器等这类关键部件。开关柜的作用是保证煤矿高压动力系统的整个电路工作正常，在煤矿高压动力系统出现明显异常时通过拉合开关柜来保护煤矿高压动力系统。

3．2 检查煤矿高压动力系统的变压器

电力变压器是一种利用电磁感应原理改变交流电压的设备，它主要由主线圈、次线圈、铁芯组成。目前变压器应用非常广泛，煤矿高压动力系统中，变压器很多。其中，变压器的运行及事故处理是十分重要的课题。

煤矿高压动力系统在使用过程中，有时会突然停机。这种情况大部分都是由于变压器问题产生。变压器可用于改变煤矿高压电力系统的电压，减少电力运输过程中的损耗。但是，对变压器改造不当，会使变压器的散热功能受到影响。一些工作人员为了使煤矿高压动力系统长时间运转，会不科学地改造变压器。这样的改变似乎并不完全符合要求。电压增大时，虽然损耗有所降低，但产生热量也较快，电缆也会变得温度较高。排查故障时，要查看是否因变压器工作状况不当而造成电缆过热，进一步检查故障。另外，要解决煤矿高压动力系统的故障问题，还需要加强对煤矿高压动力系统维修知识的宣传，促使广大煤矿高压动力系统用户对煤矿高压动力系统常见故障进行更深入的了解和检查。煤矿高压动力系统的内部元器件比较脆弱，一旦发生故障需要及时维修。一般而言，只要煤矿高压动力系统的核心部件没有出现问题，其他问题就能很好地解决。设备核心一旦出了问题，我们就需要花费大量的时间去找出问题在于哪个部件，设备的更换和维修也往往更加复杂，在维修煤矿高压动力系统的同时，严重影响用户的使用体验。为此，我们普遍使用煤矿高压动力系统的知识和故障诊断技巧，做好煤矿高压动力系统变压器的检查，及时发现可能发生的故障。

3．3 检查高压动力电缆绝缘故障系统的工作状态

高压动力电缆绝缘故障系统及故障处理也是现阶段煤矿高压动力系统检修急需解决的问题。大数据时代的到来，几乎所有行业都在努力将智能技术植入其中，我国的煤矿高压动力系统也不例外。在这方面智能控制技术有很大的发挥空间。一是通过智能控制，自动控制开关电机，减少人为操作，不需系统执行任务就能停止工作，达到节省电力的目的。二是利用智能控制系统调节电动机功率，避免了大功率运行时产生的各种噪声和有害物质，减少了安全隐患和负面影响。当然，智能系统在处理故障时，也非常有益。在煤矿高压动力系统中，故障系统是其中的关键一环。一是要加大资金投入，确保故障系统正常运行；对于故障系统目前已经进行了资源配置。但是，目前，我国对煤矿高压动力系统对故障系统仍然重视不够，在故障系统的安装、使用、维护和管理方面还存在许多问题。许多系统和装置在安装前未进行试验，也未用于日常维修，另外，为了更好地做好煤矿高压动力系统事故处理工作，国家在这方面也应该加大投入和政策支持力度。在充足的资金和强有力的政策支持下，接下来各相关部门要大力推广高压动力电缆绝缘故障系统，加大对高压动力电缆绝缘故障系统的扶持力度，做好相关煤矿高压动力系统的建设。做好煤矿高压动力系统互感器设备的故障排查，处理某些故障现象，提高煤矿高压动力系统的可靠性，保证电力的供应，为煤矿高压动力系统创造更大的效益。

4 绝缘监测及绝缘故障定位产品

4.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪

AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款产品，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

其中AIM-T300适用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系统，AIM-T500适用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了绝缘故障定位功能。

4.2绝缘故障定位产品

工业用绝缘故障定位产品配合AIM-T500L绝缘监测仪使用，主要包括ASG200测试信号发生器，AIL200-12绝缘故障定位仪，AKH-0.66L系列电流互感器，适用于出线回路较多的IT配电系统。

4.3绝缘监测耦合仪

绝缘监测耦合仪配合AIM-T500绝缘监测仪使用，主要包括ACPD100，ACPD200，适用于交流电压高于690V，直流电压高于800V的IT配电系统。

5 技术参数

5.1绝缘监测仪技术参数

型号 技术指标	AIM-T300	AIM-T500	AIM-T500L
辅助电源	电压	AC 85~265V；DC100~300	AC 85~265V；DC100~300
功耗	＜8W	＜8W
被监测IT系统	电压	480V以下的交流、直流以及交直流混合系统	690V以下的交流及交直流混合系统、800V以下直流系统
频率	40~60Hz	40~60Hz
绝缘监测	测量范围	1kΩ~5MΩ	1kΩ~10MΩ
报警值范围	10kΩ~5MΩ	10kΩ~10MΩ
相对误差	1~10k: 10k；10k~5M: ±10%	1~10k: 10k；10k~10M: ±10%
允许系统泄露电容	<150μF	<500μF
响应时间	<6s	<5s
通讯	RS485，Modbus-RTU	RS485，Modbus-RTU	RS485，Modbus-RTU；
内部参数	测量电流	<170μA	<270μA
绝缘故障定位	无	无	有
电磁兼容/电磁辐射	IEC61326-2-4	IEC61326-2-4
额定冲击电压/污染等级	8kV/Ⅲ	8kV/Ⅲ
内部直流电阻	≥120kΩ	≥180kΩ
输出	继电器输出	预警、报警	出错、预警、报警
环境	工作温度	-20~+60℃	-15~+55℃
存储温度	-20~+70℃	-20~+70℃
相对湿度	5%~95%，不结露	5%~90%，不结露
海拔高度	≤2500m	≤2500m

5.2测试信号发生器技术参数

辅助电源	电压	AC 85~265V DC100~300V
功耗	<7W
IT系统	额定电压	单相交流AC 220V 三相交流 AC 0~690V 直流DC 0~800V
绝缘故障定位	响应时间	<5s
定位电压	20V/5Hz
定位电流	0~10mA
环境	电磁兼容/电磁辐射	IEC61326-2-4
工作温度	-15-+55℃

5.3绝缘故障定位仪技术参数

辅助电源	电压	AC 85-265V DC100~300V
功耗	<5W
绝缘故障定位	响应时间	<12s
定位电压	无
定位电流	无
响应灵敏度	>0.5mA
输出	继电器输出	报警Alarm
环境	电磁兼容/电磁辐射	IEC61326-2-4
工作温度	-15-+55℃

5.4 AKH-0.66L系列电流互感器技术参数

型号	额定电流	变比	等级	过载倍数
L-45	16-100A	5A：5mA	1	10
L-80	100-250A
L-100	250-400A
L-150	400-800A
L-200	800-1500A

5.5绝缘监测耦合仪技术参数

产品型号	ACPD100	ACPD200
适用系统	单相交、直流不接地系统	三相交流、直流不接地系统
电压等级	交流0~1150V，直流0~1760V	交流0~1650V，带直流元件0~1300V
直流阻抗	≥160kΩ	AK1≥225kΩ
工作温度	-10~+55℃
存储温度	-20~+70℃
防护等级	IP30

6 结论

保德煤矿高压动力电缆绝缘故障监测系统的成功应用是实现状态检修的手段之一，系统对在运行电压下对电缆的绝缘状态进行检测，真实反映电缆的绝缘水平。自动连续监测状态下，依据大量的数据以及判据的数模分析，监测系统利用云服务功能将电缆故障预警信息上传至多用户云空间，设备管理人员可以实现远程监控，使矿井机电负责人实时了解变电站内电缆运行状况信息，确定电缆运行状态，做到故障前的实时预警、选线和测距，实现电缆的状态检修，大大减少人工巡查。提高矿井机电管理人员电力系统的监管水平，提高企业经济效益和社会效益。

参考文献:

[1]王晓彪．电力电缆故障诊断与检测技术分析[J].电子制作，2016(18)．

[2]于洋，杨伊璇．电力电缆的故障诊断与检测技术[J]．黑龙江科技信息，2015(36)．

[3］安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版；

[4］安科瑞IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统（中英文）2020.01版

审核编辑 黄宇