淺談煤礦高壓動力電纜絕緣故障系統的研究

張穎姣

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘要:本文介紹了礦井高壓動力電纜絕緣故障監測系統應用，分析了煤礦高壓供電系統作為高危行業的特殊性要求，供電系統高壓電纜在線監測供電系統的絕緣狀況、實現預警、故障定位、接地選線功能，是供電管理的重要技術手段，闡述了系統特點及先進性，實踐表明在系統應用提高了企業機電管理人員電力系統的監管水平，提高企業經濟效益和社會效益。

關鍵詞:電纜絕緣；預警；故障定位；接地選線

神東保德煤礦是國家能源集團神東煤炭集團公司一座在山西省的大型煤炭生產基地，由原保德縣東關鎮煤礦和橋頭煤礦技術改造整合而成。井田南北走向長14.0km，東西傾向寬5.7km，面積55.898km2。由于生產系統的特點，井上、下大量應用高壓動力電纜，電纜運行直接影響煤礦的生產，一旦發生電纜故障，勢必引起采掘生產、礦井通風、排水、壓風等生產系統事故，造成了煤礦的重大生產經濟損失、人員傷亡和其他次生災害。目前每年做的電纜局放和耐壓試驗，存在以下問題:一是從根本上不能體現電纜絕緣水平的真實情況；二是耐壓試驗是一種破壞性試驗，試驗的同時也是對電纜絕緣的破壞；三是隨著礦井對供電可靠性的要求越來越高，不能長期在線監測。

目前煤礦井上下高壓供電系統普遍應用小電流接地系統、絕緣監測裝置均不能解決上述問題，是煤礦供電長期存在的痛點。為此，自動化改造保德煤礦供電裝置，保德煤礦一直希望在供電系統高壓電纜故障發生之前能夠給出報警信息，形成預警系統，提前采取措施去除隱患，避免突發短路造成大面積停電。另外，能夠快速準確選線和判斷故障位置。以下為保德煤礦高壓動力電纜絕緣故障系統的設計方案。

1 高壓動力電纜絕緣故障系統設計

保德煤礦高壓動力電纜故障預警監測系統主要包含:地面遠程主機(云端服務)、系統采集單元及各監測裝置(含高頻傳感器)，系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1．1 地面遠程主機

地面遠程主機設置在礦調度指揮中心，調度指揮中心設置一臺操控站，通過操控站對井下所有高壓電纜系統相關設備進行集控和監視。操控站分為硬件和軟件兩部分:

①硬件設備:工業控制計算機、顯示器等；

②軟件:監測、控制組態軟件。

地面遠程主機采用基于B/S方式的系統管理軟件，采用局域網方式與監測裝置通信，配置裝置的參數設值，通過上位機通信實現遠程服務。系統還附帶云端訪問功能，通過任意一臺聯網計算機，查看電纜在線監測系統運行情況、設備運行情況以及線路告警信息等。煤礦高壓動力電纜絕緣故障監測系統采用全網絡化設計，為每個裝置分配不同的IP地址，一個裝置可實時在線檢測16條交聯聚乙烯或橡套高壓動力電纜。系統可在設定時間段內，連續監測和記錄被測動力電纜發生“可恢復故障”的次數以及瞬時電磁暫態信號的強度和形態，作為故障預警、選線、測距的特定判據。

1．2 系統技術指標

①電流信號采樣頻率:10MHz×16路；②電壓信號采樣頻率:100kHz×4路；③電流單端故障測距范圍:≤17km(可定制)；④系統定位精度:±4．25m；⑤同步授時精度:10ns；⑥測試盲區:≤10m；⑦電纜故障預警準確率:≥95%；⑧電纜故障選線準確率:≥99%；⑨與云端通信方式:無線4G、5G通信；⑩系統裝置通信方式:網口；1云端服務器:免費3a云服務；12系統上位機:品牌工控機；13系統擴容:可支持組網253臺監測單元；14系統供電方式:AC127V±10%；15系統工作環境溫度:－25~+70℃；16系統在線運行:＞80000h。

1．3 系統采集單元

保德煤礦選擇井下1號中央變電所、2號變電所、三(下)盤區水泵房變電所、康孫62連巷變電所、五盤區井底水泵房變電所、集中巷變電所六個變電所15段母線及其母線下三芯電纜的在線監測，系統監測方式為站內集中式監測，在變電所低壓側選擇合適位置安裝礦用隔爆兼本安型高壓動力電纜絕緣故障分析主機，高壓側選擇合適位置安裝礦用本安型電流采集器。

1．4 GPC電流行波探頭

GPC電流行波探頭安裝在被監測交聯聚乙烯電纜金屬屏蔽層接地線上，負責監測被測電纜的暫態電流行波信號，探頭按照箭頭指示方向固定在電纜屏蔽線上，注意屏蔽線處安裝探頭之前需要進行絕緣處理。探頭與礦用本安型電流行波采集器之間通過多芯同軸電纜連接。

1．5 GPD電流行波探頭

GPD電流行波探頭安裝在被監測橡套電纜本體上，負責監測被測電纜的暫態電流行波信號，探頭與礦用本安型電流行波采集器間通過多芯屏蔽線連接。

1．6 通信網絡

系統主站內通信網絡使用內部以太網通道或者光纖通道通信；系統主站與系統云端利用保德煤礦綜合分站5G光纖網絡通信。

1．7 系統主要功能

①故障預警:實現對供電系統高壓電纜、接線盒、供配電設備等絕緣故障分黃色、橙色、紅色等級預警，屬于煤礦重大設備感知內容，是智慧礦山建設基礎；②故障選線:根據行波原理，實現接地選線，可靠實現《煤礦規程》第453條選擇性單相接地保護，是小電流接地選線裝置的升級換代產品；③故障測距:利用A型測距原理，實現故障點測距，為迅速處理故障提供依據，防止次生災害和擴大事故；④系統云服務:提供足夠的用戶空間，用戶在任何時間、地點通過瀏覽器訪問現場的系統監測情況，系統歷史數據永久存儲，方便歷史查看；⑤當地功能:系統后臺安裝于主站內，配置一次系統圖，實現故障預警、選線、測距的功能、實時顯示母線電壓、一次系統圖故障線路閃爍、彈窗報警、聲音報警；⑥電子值班:實現無人值守，報警信息及工作狀態可通過發送短信息、APP推送至相關人員；⑦遠程技術支持:7×24h遠程服務，實現故障波形輔助分析，系統程序遠程升級；⑧歷史存儲:實現實時存儲信息，可查詢歷史數據等。

2 高壓動力電纜絕緣故障系統應用

保德煤礦應用的煤礦高壓動力電纜故障預警監測系統，實現高壓供電故障預警、接地選線、故障測距等，避免重大供電事故，避免因高壓供電事故引

起水、火、瓦斯等重大礦井災害事故，解決了供電系統維護管理多年來的難題[2]。系統主要有如下好處:

①提高了礦井供電系統自動化水平，有計劃地提前采取措施，保證礦井設備運行安全，保障了電網的可靠供電，避免了由于突發停電造成的經濟損失。

②從故障選線、故障預警方面做到自動化，大大提高了電力運行人員的工作效率，原來人工查找故障點費時費力，通過安裝電纜在線監測系統自動預警電纜故障，節省了大量的時間和人力，提高了工作效率。

③通過實時監測電纜的運行狀態，提前預警電纜故障，電纜在故障前得到處理，及時修復或切換，增加了電纜的使用壽命，節省了生產運營成本。可能使用20a的使用期限有可能增加到25a甚至更長，大大節省了原材料成本。

④系統裝置結構緊湊，施工安裝方便，可長期監測重點站、重點設備、異常設備，系統配置靈活。不改變電纜運行方式和結構，不占用現有系統資源，在電纜接地導體上安裝高頻傳感器，安全可靠。

⑤采用行波故障定位測量法，實現對電纜本體產生的絕緣薄弱點定位，定位精度可達±4．25m。縮短供電故障查找時間。采用高性能FPGA處理器，實現100Msps、14Bit分辨率的高速采樣、存儲。

系統的成功應用實現交聯聚乙烯、橡套等高壓動力電纜故障預警。從故障預警、故障選線、故障測距等方面達到技術領先，提高供電可靠性，提高了運維人員工作效率。通過實時監測電纜的運行狀態，電纜在故障前得到的處理，增加了電纜的使用壽命，節省了生產運營成本。提高了供電線路監測自動化水平，保障了電網的可靠供電，避免了由于突發停電造成的經濟損失。系統軟件平臺部署在云服務器端，操作人員訪問方便，不受時間、地點限制，可實時查看線路運行情況，方便管理。系統響應時間短，當電纜發生暫態故障產生行波信號后，高頻傳感器在5s內可將采集到的故障信號通過網絡通信傳遞給上位機軟件并實時顯示故障線路和故障波形，便于值班人員快速分析處理。

3 利用故障系統分析解決高壓動力電纜絕緣故障

3．1 高壓電纜的檢查

煤礦高壓動力系統中，會有開關、保護電器等這類關鍵部件。開關柜的作用是保證煤礦高壓動力系統的整個電路工作正常，在煤礦高壓動力系統出現明顯異常時通過拉合開關柜來保護煤礦高壓動力系統。

3．2 檢查煤礦高壓動力系統的變壓器

電力變壓器是一種利用電磁感應原理改變交流電壓的設備，它主要由主線圈、次線圈、鐵芯組成。目前變壓器應用非常廣泛，煤礦高壓動力系統中，變壓器很多。其中，變壓器的運行及事故處理是十分重要的課題。

煤礦高壓動力系統在使用過程中，有時會突然停機。這種情況大部分都是由于變壓器問題產生。變壓器可用于改變煤礦高壓電力系統的電壓，減少電力運輸過程中的損耗。但是，對變壓器改造不當，會使變壓器的散熱功能受到影響。一些工作人員為了使煤礦高壓動力系統長時間運轉，會不科學地改造變壓器。這樣的改變似乎并不完全符合要求。電壓增大時，雖然損耗有所降低，但產生熱量也較快，電纜也會變得溫度較高。排查故障時，要查看是否因變壓器工作狀況不當而造成電纜過熱，進一步檢查故障。另外，要解決煤礦高壓動力系統的故障問題，還需要加強對煤礦高壓動力系統維修知識的宣傳，促使廣大煤礦高壓動力系統用戶對煤礦高壓動力系統常見故障進行更深入的了解和檢查。煤礦高壓動力系統的內部元器件比較脆弱，一旦發生故障需要及時維修。一般而言，只要煤礦高壓動力系統的核心部件沒有出現問題，其他問題就能很好地解決。設備核心一旦出了問題，我們就需要花費大量的時間去找出問題在于哪個部件，設備的更換和維修也往往更加復雜，在維修煤礦高壓動力系統的同時，嚴重影響用戶的使用體驗。為此，我們普遍使用煤礦高壓動力系統的知識和故障診斷技巧，做好煤礦高壓動力系統變壓器的檢查，及時發現可能發生的故障。

3．3 檢查高壓動力電纜絕緣故障系統的工作狀態

高壓動力電纜絕緣故障系統及故障處理也是現階段煤礦高壓動力系統檢修急需解決的問題。大數據時代的到來，幾乎所有行業都在努力將智能技術植入其中，我國的煤礦高壓動力系統也不例外。在這方面智能控制技術有很大的發揮空間。一是通過智能控制，自動控制開關電機，減少人為操作，不需系統執行任務就能停止工作，達到節省電力的目的。二是利用智能控制系統調節電動機功率，避免了大功率運行時產生的各種噪聲和有害物質，減少了安全隱患和負面影響。當然，智能系統在處理故障時，也非常有益。在煤礦高壓動力系統中，故障系統是其中的關鍵一環。一是要加大資金投入，確保故障系統正常運行；對于故障系統目前已經進行了資源配置。但是，目前，我國對煤礦高壓動力系統對故障系統仍然重視不夠，在故障系統的安裝、使用、維護和管理方面還存在許多問題。許多系統和裝置在安裝前未進行試驗，也未用于日常維修，另外，為了更好地做好煤礦高壓動力系統事故處理工作，國家在這方面也應該加大投入和政策支持力度。在充足的資金和強有力的政策支持下，接下來各相關部門要大力推廣高壓動力電纜絕緣故障系統，加大對高壓動力電纜絕緣故障系統的扶持力度，做好相關煤礦高壓動力系統的建設。做好煤礦高壓動力系統互感器設備的故障排查，處理某些故障現象，提高煤礦高壓動力系統的可靠性，保證電力的供應，為煤礦高壓動力系統創造更大的效益。

4 絕緣監測及絕緣故障定位產品

4.1絕緣監測及絕緣故障定位產品

AIM-T系列工業用絕緣監測儀

AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

4.2絕緣故障定位產品

工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統。

4.3絕緣監測耦合儀

絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統。

5 技術參數

5.1絕緣監測儀技術參數

型號 技術指標	AIM-T300	AIM-T500	AIM-T500L
輔助電源	電壓	AC 85~265V；DC100~300	AC 85~265V；DC100~300
功耗	＜8W	＜8W
被監測IT系統	電壓	480V以下的交流、直流以及交直流混合系統	690V以下的交流及交直流混合系統、800V以下直流系統
頻率	40~60Hz	40~60Hz
絕緣監測	測量范圍	1kΩ~5MΩ	1kΩ~10MΩ
報警值范圍	10kΩ~5MΩ	10kΩ~10MΩ
相對誤差	1~10k: 10k；10k~5M: ±10%	1~10k: 10k；10k~10M: ±10%
允許系統泄露電容	<150μF	<500μF
響應時間	<6s	<5s
通訊	RS485，Modbus-RTU	RS485，Modbus-RTU	RS485，Modbus-RTU；
內部參數	測量電流	<170μA	<270μA
絕緣故障定位	無	無	有
電磁兼容/電磁輻射	IEC61326-2-4	IEC61326-2-4
額定沖擊電壓/污染等級	8kV/Ⅲ	8kV/Ⅲ
內部直流電阻	≥120kΩ	≥180kΩ
輸出	繼電器輸出	預警、報警	出錯、預警、報警
環境	工作溫度	-20~+60℃	-15~+55℃
存儲溫度	-20~+70℃	-20~+70℃
相對濕度	5%~95%，不結露	5%~90%，不結露
海拔高度	≤2500m	≤2500m

5.2測試信號發生器技術參數

輔助電源	電壓	AC 85~265V DC100~300V
功耗	<7W
IT系統	額定電壓	單相交流AC 220V 三相交流 AC 0~690V 直流DC 0~800V
絕緣故障定位	響應時間	<5s
定位電壓	20V/5Hz
定位電流	0~10mA
環境	電磁兼容/電磁輻射	IEC61326-2-4
工作溫度	-15-+55℃

5.3絕緣故障定位儀技術參數

輔助電源	電壓	AC 85-265V DC100~300V
功耗	<5W
絕緣故障定位	響應時間	<12s
定位電壓	無
定位電流	無
響應靈敏度	>0.5mA
輸出	繼電器輸出	報警Alarm
環境	電磁兼容/電磁輻射	IEC61326-2-4
工作溫度	-15-+55℃

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數

型號	額定電流	變比	等級	過載倍數
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絕緣監測耦合儀技術參數

產品型號	ACPD100	ACPD200
適用系統	單相交、直流不接地系統	三相交流、直流不接地系統
電壓等級	交流0~1150V，直流0~1760V	交流0~1650V，帶直流元件0~1300V
直流阻抗	≥160kΩ	AK1≥225kΩ
工作溫度	-10~+55℃
存儲溫度	-20~+70℃
防護等級	IP30

6 結論

保德煤礦高壓動力電纜絕緣故障監測系統的成功應用是實現狀態檢修的手段之一，系統對在運行電壓下對電纜的絕緣狀態進行檢測，真實反映電纜的絕緣水平。自動連續監測狀態下，依據大量的數據以及判據的數模分析，監測系統利用云服務功能將電纜故障預警信息上傳至多用戶云空間，設備管理人員可以實現遠程監控，使礦井機電負責人實時了解變電站內電纜運行狀況信息，確定電纜運行狀態，做到故障前的實時預警、選線和測距，實現電纜的狀態檢修，大大減少人工巡查。提高礦井機電管理人員電力系統的監管水平，提高企業經濟效益和社會效益。

參考文獻:

[1]王曉彪．電力電纜故障診斷與檢測技術分析[J].電子制作，2016(18)．

[2]于洋，楊伊璇．電力電纜的故障診斷與檢測技術[J]．黑龍江科技信息，2015(36)．

[3］安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6版；

[4］安科瑞IT系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統（中英文）2020.01版

審核編輯 黃宇