安科瑞虞佳豪

作為全球礦產(chǎn)資源生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，中國(guó)礦業(yè)產(chǎn)值占到了GDP總量的7%。同時(shí)，“富煤、貧油、少氣”的基本國(guó)情，決定了煤炭在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)性地位。目前，中國(guó)煤礦有4300座，全球計(jì)劃新建的煤礦中，有近三分之一位于中國(guó)。

數(shù)量上是不少，可開(kāi)采難度卻不小。和露天礦產(chǎn)量高居60%以上的美國(guó)、印度、澳大利亞、印度尼西亞等世界其它主要產(chǎn)煤大國(guó)相比，中國(guó)露天礦的產(chǎn)量?jī)H占11%左右。地下煤礦開(kāi)采則面臨瓦斯、水、火、沖擊地壓、煤塵等較多不確定性因素，安全生產(chǎn)條件嚴(yán)重受限。同時(shí)，人工成本高、開(kāi)采效率低等痛點(diǎn)也困擾著煤礦企業(yè)的發(fā)展。因此，提升煤炭企業(yè)信智能化作業(yè)水平，建成安全、綠色、高效的智能礦山，成為中國(guó)這一傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵。

智能化帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)太多了：通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)的狀況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取相應(yīng)的措施來(lái)避免事故的發(fā)生；智能技術(shù)還可以提高煤礦的自動(dòng)化水平，使礦工可以更安全地工作，有助于煤礦生產(chǎn)效率的提高。

正是因?yàn)橛羞@種種好處，2020年3月，中國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委、能源局和工信部等8部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（下稱《意見(jiàn)》），指出煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。通過(guò)實(shí)施新一代信息技術(shù)，能夠有效提高煤礦智能化水平，促進(jìn)煤礦安全、質(zhì)量、效率與效益的穩(wěn)步提升。次年6月，國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局又聯(lián)合發(fā)布了《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》，提出要加快新一代信息技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)深度融合，推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

我國(guó)煤礦企業(yè)的動(dòng)作也相當(dāng)迅速。就在《意見(jiàn)》出臺(tái)后2個(gè)月，陜煤集團(tuán)就與華為簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。次年2月，陜西煤業(yè)紅柳林礦業(yè)攜手華為煤礦軍團(tuán)開(kāi)展“智能協(xié)同”示范礦井建設(shè)。華為的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新一代ICT技術(shù)開(kāi)始與煤礦深度融合。

隨著煤炭采掘產(chǎn)量和效率的不斷提高，對(duì)供電系統(tǒng)工作的安全性和可靠性要求越來(lái)越高。目前我國(guó)煤礦綜采工作面內(nèi)供電多為電纜供電模式，電纜絕緣性能好壞與電纜安全可靠工作息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了高度重視。煤礦井下環(huán)境較為惡劣，加之電纜長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中的老化或者局部放電，極易出現(xiàn)供電電纜的絕緣老化問(wèn)題，一旦服役中的供電電纜出現(xiàn)絕緣老化，如不能及時(shí)查找故障位置并切斷絕緣老化線路，將會(huì)給煤礦井下供電系統(tǒng)造成較大的安全隱患。當(dāng)前供電系統(tǒng)絕緣老化在線監(jiān)測(cè)裝置較少，常用的測(cè)量監(jiān)測(cè)方法需要停止整個(gè)電網(wǎng)完成，不僅需要投入大量的人力物力，還會(huì)影響煤炭采掘工作的正常進(jìn)行，限制煤炭的產(chǎn)量和效率的進(jìn)一步提高。故此，以某煤炭企業(yè)6kV井下供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，開(kāi)展在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的意義。

1煤礦高壓電纜絕緣檢測(cè)問(wèn)題概述

1.1監(jiān)測(cè)方法落后且誤差大

? ?現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)煤礦井下高壓電纜監(jiān)測(cè)方式為定期停電離線檢測(cè)，采用手搖式指針兆歐表，運(yùn)用直流方法對(duì)供電電纜的絕緣性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)在電纜芯線和表皮施加高壓直流電，如：2kV或者5kV，借助漏電電流計(jì)算電纜對(duì)地的絕緣性能。該監(jiān)測(cè)方法存在以下問(wèn)題：①停電人工檢測(cè)，影響煤炭采掘工作并消耗大量人力資源。②監(jiān)測(cè)的直流阻抗通過(guò)計(jì)算得到，并不一定完全反應(yīng)電纜實(shí)際情況。③市售手搖式指針兆歐表的精度為10%，檢測(cè)誤差較大。

1.2測(cè)量精度的提升

? ?當(dāng)前存在的電纜絕緣參數(shù)在線檢測(cè)裝置中，需要在供電系統(tǒng)工作時(shí)注入檢測(cè)信號(hào)，將檢測(cè)信號(hào)的幅值和功率設(shè)置的較低，避免出現(xiàn)傷人事故。由于電力電纜存在高強(qiáng)磁場(chǎng)，會(huì)干擾檢測(cè)信號(hào)和絕緣信號(hào)，導(dǎo)致檢測(cè)較為困難。煤礦井下環(huán)境惡劣、空間窄小、濕度較大、存在較多的大型采掘設(shè)備，檢測(cè)過(guò)程中存在干擾，尤其是檢測(cè)器件信號(hào)處理或者算法不合理時(shí)，檢測(cè)結(jié)果將會(huì)存在較大的檢測(cè)誤差。

2監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

? ?監(jiān)控系統(tǒng)的功能是在停止電纜電力的情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下電纜系統(tǒng)絕緣性能參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣問(wèn)題線路，能夠分析絕緣狀態(tài)數(shù)據(jù)及確定異常線路，以便及時(shí)確定供電系統(tǒng)絕緣故障。監(jiān)控系統(tǒng)方案涉及低頻電源、監(jiān)控終端、CAN總線模塊和監(jiān)控主站等，其中信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)采集低頻電源電壓及電流信號(hào)，傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得到電力電纜的實(shí)時(shí)絕緣電阻和電容值，之后借助CAN總線通信傳輸至監(jiān)控主站。單個(gè)監(jiān)測(cè)主站可以遠(yuǎn)程管理和控制多個(gè)故障預(yù)警終端并顯示絕緣參數(shù)數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)電力電纜出現(xiàn)故障，將會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警及位置顯示，指導(dǎo)故障檢修人員及時(shí)完成故障處理。

3詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

3.1.1總體結(jié)構(gòu)

? ?井下電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端硬件架構(gòu)，包括低頻信號(hào)源、電壓電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字量/模擬量采集電路、DSP中央處理器、CAN總線通信、鍵盤(pán)輸入、電源、時(shí)鐘、顯示等模塊。工作時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路輸入端為電壓電流互感器，將接收得到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成A/D模塊可以識(shí)別的信號(hào)進(jìn)行模擬量信號(hào)向數(shù)字量信號(hào)的轉(zhuǎn)化，之后傳輸至DSP中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。

3.1.2硬件選型

? ?電流互感器的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜低頻電流信號(hào)，選擇型號(hào)為SCB2的閉環(huán)霍爾型高精度電流互感器。電流互感器的量程為0~10mA，輸入電流范圍為0~10mA，輸出電流范圍為0~25mA，滿量程線性度為土0.2%，滿量程精度為土0.8%，響應(yīng)時(shí)間小于20uS。電壓互感器的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低頻電壓信號(hào)，選擇型號(hào)為霍爾電流型電壓互感器，電壓互感器輸入電流范圍為0~14mA，輸出電流范圍為0~25mA，測(cè)量電壓范圍為10~500V。模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊作用是將采集得到的電壓電流信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，選擇型號(hào)為ADS8365的A/D模塊，精度較高，具有16位并行數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠同時(shí)進(jìn)行6路模擬量信號(hào)的同步采樣與轉(zhuǎn)換。DSP中央處理器選擇型號(hào)為T(mén)MS320F28335芯片，支持多種語(yǔ)言和代碼，具有較好的程序移植性。

3.2軟件設(shè)計(jì)

3.2.1主程序

? ?井下電力電纜絕緣在線監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程：進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成資源分配之后進(jìn)入測(cè)頻程序，緊隨其后的是A/D采樣程序，完成電力電纜低頻電壓電流信號(hào)的采集；經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模量的運(yùn)算即可得到電纜對(duì)地的絕緣電阻，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)電阻值，如果出現(xiàn)電纜絕緣電阻實(shí)測(cè)值小于標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警程序發(fā)出預(yù)警，并且將絕緣電阻故障的電纜編號(hào)和實(shí)測(cè)絕緣阻值顯示在操作面板中；與此同時(shí)，啟動(dòng)CAN總線通訊程序?qū)㈦娎|編號(hào)和實(shí)測(cè)阻值傳輸至人機(jī)交互界面。

3.2.2數(shù)據(jù)采集程序

? ?數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)低頻電壓電流信號(hào)的采集并且實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至DSP的存儲(chǔ)器，其中的電壓電流向量數(shù)據(jù)以向量組的形式存放。數(shù)據(jù)采集采用24個(gè)點(diǎn)的傅里葉算法，一個(gè)采樣周期需要采集24個(gè)數(shù)據(jù)，采樣過(guò)程如下：從監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)得到第一輪采樣信號(hào)開(kāi)始進(jìn)行電壓和電流的同步采樣，累計(jì)完成24個(gè)采樣數(shù)據(jù)即結(jié)束一個(gè)采樣周期，以此循環(huán)完成電力電纜系統(tǒng)絕緣性能數(shù)據(jù)的采集。

3.2.3數(shù)據(jù)處理程序

? ?數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)運(yùn)算處理數(shù)字量/模擬量采集模塊傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)，涉及傅里葉分解運(yùn)算和絕緣電阻計(jì)算。傅里葉分解運(yùn)算直接通過(guò)C語(yǔ)言調(diào)用自帶函數(shù)庫(kù)中的公式，以便提高運(yùn)算的速率。通過(guò)直接調(diào)用函數(shù)的形式能夠?qū)崿F(xiàn)大計(jì)算量、高速度運(yùn)算，而且調(diào)用時(shí)采用簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言，保證了代碼編寫(xiě)的速度和模塊編寫(xiě)的效率，能夠降低代碼的錯(cuò)碼率，保證程序的運(yùn)行速度和準(zhǔn)確性。

3.2.4CAN總線通信程序

? ?監(jiān)測(cè)終端檢測(cè)得到的實(shí)測(cè)電力電纜絕緣電阻數(shù)值經(jīng)CAN總線傳輸至地面變電所，通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。與此同時(shí)，監(jiān)控人員根據(jù)電力電纜絕緣電阻的實(shí)測(cè)值及其變化趨勢(shì)，通過(guò)人機(jī)交互界面可以發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成電力電纜工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。

3.3人機(jī)交互界面

? ?人機(jī)交互界面作為井下電力電纜在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示與遠(yuǎn)程控制的樞紐，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，常用的編程語(yǔ)言包括VB、C語(yǔ)言、C++、組態(tài)軟件等，其中組態(tài)軟件在人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面具有明顯的靈活性和適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)，故而選擇組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)主界面涉及井下電纜絕緣電阻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、變化趨勢(shì)顯示、報(bào)警等。監(jiān)控人員可以通過(guò)觀察對(duì)應(yīng)編號(hào)電纜的絕緣電阻值，當(dāng)某條電纜出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)界面顯示故障電纜編號(hào)，可以調(diào)取該電纜的絕緣電阻變化曲線，便于故障排查。

4應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

? ?為了驗(yàn)證井下電力電纜絕緣在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的適用性，將其應(yīng)用于某煤礦井下6kV動(dòng)力電纜絕緣監(jiān)測(cè)工作，進(jìn)行應(yīng)用效果跟蹤記錄。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠很好的滿足井下電力電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了井下電力電纜的人力資源消耗，減少了近30%的絕緣故障排除時(shí)間，提高了近15%的煤礦內(nèi)部電力設(shè)備利用率，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益約150萬(wàn)/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

5絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

5.1絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

? ?AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

? ?其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，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

5.2絕緣故障定位產(chǎn)品

? ?工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測(cè)儀使用，主要包括ASG200測(cè)試信號(hào)發(fā)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(tǒng)。

5.3絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀

? ?絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)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(tǒng)。

6技術(shù)參數(shù)

6.1絕緣監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

6.2測(cè)試信號(hào)發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

6.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

6.5絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀技術(shù)參數(shù)

?井下電力電纜作為煤礦電力設(shè)備工作的前提條件，其工作的可靠性和穩(wěn)定性極為重要。針對(duì)供電系統(tǒng)絕緣問(wèn)題檢測(cè)技術(shù)限制煤炭產(chǎn)量效率的問(wèn)題，以某煤炭企業(yè)6kV井下供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，開(kāi)展了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作。取得了較好的應(yīng)用效果，可以為同類工程提供一定參考。