煤礦井下電纜故障快速定位技術研究

魏慧娟

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

連續性和安全性是我國現代大型煤礦生產中需重點保障的方面，而穩定的井下電力供給對采煤生產、照明、通風、運輸等具有重要意義。但由于井下工況條件惡劣，變壓器、電纜等電力設備的使用壽命和故障率較高，時常發生斷路、漏電等意外事故，嚴重影響煤炭的連續、高效生產。為保證安全生產，井下低壓電網中一般設置有故障防護系統，可在各類故障發生時，第一時間做出響應，采取相應自動保護措施，保障人員和設備安全。但由于井下巷道結構復雜、設備眾多，且電纜線走向較多[1-3]，因此后期的故障點巡查和排除仍需要消耗大量時間，給企業帶來較大的間接經濟損失。

我國煤礦井下一般采用中性點不接地或通過消弧線圈接地的連接方式，對于這種電網結構，在出現單相接地故障時，漏電電流較小，可防止出現人身觸電事故，但另一方面卻增大了非故障相的對地電壓值，容易出現其它相高壓擊穿，進而引發多點接地漏電，擴大了事故范圍和風險。因此，如何快速、準確地對故障點進行定位和排除，是研究和解決井下低壓電纜故障問題的重點。

1 井下低壓電纜故障分類及原因

1.1 故障分類

井下低壓事故一般包括短路、斷路、漏電、混合故障等，但按照其根本性質區分，可分為低阻故障和高阻故障兩類：

1）低阻故障。一般是指故障發生點的電阻值明顯下降，甚至接近導電體自身的電阻，即電纜絕緣性失效，常見此類故障如短路等。

2）高阻故障。是指故障發生點的直流電阻值大于電纜自身的特性阻抗，常見此類故障包括斷路、高阻泄漏和閃絡性故障等。斷路也稱為開路，表明單相或多相電纜線斷開，無法傳導電流；高阻泄漏指電纜具有一定絕緣性，但隨著電壓升高，泄漏電流增大，最終超過允許值；閃絡性故障指只有當電壓升高到某一數值時，產生泄漏電流，電壓下降則泄漏電流消失[4-5]。

1.2 故障原因

由于煤礦生產環境的特殊性，因此井下低壓電纜故障原因主要包括以下3類：

1）物理損傷。井下機械設備較多，且移動頻繁，因此在設備運轉或轉運過程中容易對周邊電纜產生剮蹭，導致其絕緣性降低或斷路等；另外，煤礦地質結構復雜，巖石易松動脫落，對電纜造成拉、壓等物理損傷。

2）化學損傷。一方面，電纜在使用過程中，由于導體材料發熱，長期作用于外部絕緣層，容易引起材料老化；另一方面，井下環境條件惡劣，存在高溫、高濕、高腐蝕性等不利因素，更加劇了絕緣層的老化速率。

3）操作失誤。一方面，指在線纜安裝期間，未嚴格遵守操作規程，導致接頭松動、線纜布置不當及操作失誤導致的損傷等；另一方面，還包括設備操作過程中，人為失誤造成的過電壓、過電流等情況，對輸電設備造成損害。

2 低壓電纜故障點粗定位原理

電纜故障發生后，可從饋電保護系統獲知故障類型，但對于具體故障點的定位，還需要使用專業的故障檢測設備和方法。故障點定位分為粗定位和精確定位兩個步驟。粗定位又叫預定位，是通過一定的技術手段，對發生故障線路的大概位置進行推斷，以縮小精確定位的搜索范圍。粗定位常用方法包括阻抗法和行波法。

2.1 阻抗法

阻抗法也稱為直流電橋法，是最早使用的故障點巡測方法，該方法的原理是將故障點兩側的電纜導線作為電橋的兩個橋臂，再分別在兩端配置一個固定電阻和一個可變電阻，然后調節可變電阻數值，直至電橋平衡，由于電纜長度與其阻值成正比，因此可由兩已知電阻數值推測出故障點兩側電纜長度之比，結合電纜總長即可計算出故障點的距離。

圖1 阻抗法原理圖

對于典型的單相接地故障，首先將電纜末端的故障相和正常相短接，如圖1所示，假設每相電纜的單位長度電阻為R0，電纜全長L，故障點距離測量點距離為x，Rf為接地過渡電阻，R1為正常相起始端連接的測量用電阻，R2為故障相起始端連接的可調電阻，G為測量表，E為直流電源。按圖1連接以上設備后，調節可調電阻值，直至G表的讀數為零，此時電橋平衡，則兩橋臂之間的電阻值存在以下關系：

由式（1）可知，故障點到測量點的距離為

阻抗法原理簡單，準確度相對較高，因此使用廣泛，主要適用于單相接地、相間短路等低阻故障。但當故障線路電阻較大、線路較長時，電橋系統的測量電流較小，誤差增大，此時不宜采用阻抗法。

2.2 行波法

電流行波在電纜中按照約160～220 m/μs的速度進行傳播，利用該特點，可實現行波法測距，其原理是以行波在電纜中固定傳輸速率為基礎，然后利用儀器測量發射點和故障點之間行波的反射時間，再通過公式計算得出測量點與故障點之間的大致距離。根據原理差異，行波法又可分為低壓脈沖反射法、脈沖電壓法和脈沖電流法。

1）低壓脈沖反射法。在測量端向故障相線輸入一定頻率的脈沖電壓，該脈沖會以固定傳播速率向前傳輸，直至阻抗波動較大位置，即發生斷路、短路或接地故障位置，此時在故障點處生成一個反射脈沖，并向測試端傳回，測量端相關儀器記錄下兩脈沖的時間差，然后與傳播速度相乘，可得出故障點的距離。

2）脈沖電壓法。適用于高阻和閃絡性故障，是通過在測量端加載直流高壓或脈沖高壓信號，將故障點擊穿，然后測量往返于故障點和測量點之間的脈沖時間，然后得出故障距離。

3）脈沖電流法。原理與脈沖電壓法類似。

表1顯示了以上3種方法的適用范圍和優缺點，可據此進行針對性選擇。

表1 不同行波法對比

3 低壓電纜故障點精確定位原理

適用于煤礦井下低壓電纜故障點精確定位的方法有音頻感應法等，由于已使用粗定位方法得出故障點的大概位置，此時利用音頻感應法可對故障點進行更加精確的定位。音頻感應法的原理是在粗定位端輸入一定頻率的脈沖信號（1 kHz），然后檢測人員手持帶有磁場變化感應傳感器的儀器，在前期粗定位劃定的故障范圍內，沿電纜走向進行檢測。檢測儀器可對導線內脈沖信號產生的變化磁場進行感應和放大，并輸出到耳機等外接設備上，當到達磁場變化異常位置時，即為故障點。這一方法對測量環境中的電磁場分布均勻性較為敏感，因此實際使用中應選擇合適的儀器和參數，以避免誤判。

另外，故障精確定位還包括聲測法等，但聲測法中產生的放電電弧將影響煤礦安全生產，因此不宜采用。

4 存在的問題及新技術

4.1 存在的問題

在以上測量方法中，阻抗法的測量精度相對不高，僅可作為粗測；而精確定位方法中的音頻感應法的使用范圍有限，僅適用于低阻，且線路總電阻不高于10 kΩ的場合。其它如脈沖電壓/電流法、聲測法等，均會產生放電電弧，且對線路造成二次損傷，因此不適用于煤礦生產。

4.2 故障點檢測新技術

隨著電力檢測技術的發展，出現了一些新的故障點檢尋方法：

1）涌浪電壓法。首先在線路末端設置開路點，則故障點產生的浪涌電壓在開路點發生全反射，然后開路點附近的傳感器接收到脈沖信號，再測出脈沖間隔，即可實現距離測量，原理如圖2所示。

圖2 浪涌電壓法原理圖

2）溫度傳感器法。可在電纜上相隔一定間距設置光纖溫度傳感器，然后通過檢測故障點附近的傳感器溫度變化，可對故障位置精確定位。由于傳感器作用的光纖為非金屬材料，因此不會產生電磁干擾，該方法簡便，定位精度高，但鋪設成本也較大。

3）小波分析法。通過小波變換，可將脈沖反射信號分解出不同的頻率成分，然后根據高頻信號信息和特性，對故障特征和故障點距離進行更加準確的計算和分析，隨著計算機技術的發展，該測量方法近年來發展迅速，推廣前景較好。

以上新技術具有較高的測量精度和便捷性，已成為未來低壓電網故障點定位技術的重點發展方向。

5 結論

針對煤礦井下低壓電網故障點的快速定位問題，本文首先對常見故障類型和原因進行了分析，在此基礎上，詳細研究了阻抗法和行波法等故障點粗定位方法的實現原理，以及音頻感應法等故障精確定位方法，并對以上方法的適用范圍和存在的問題進行了分析，隨后對近年來出現的電網故障定位新技術的原理進行了研究。本文研究內容對煤礦低壓電網常見故障的定位和排除具有積極的指導意義。

[1] 張繼紅,田玉,宋建成，等.基于雙端電流量測距的礦山電網接地定位研究[J].煤礦機械,2016,37(12):23-26.

[2] 田兵.礦用分布式光纖測溫系統軟件設計與實現[J].中州煤炭,2016,50(8):105-109.

[3] 王玉娟,錢平,葉銀忠，等.基于小波變換的礦井電網故障行波定位[J].電測與儀表,2015(16):84-87.

[4] 張信,康成功,韓雪，等.礦井供電系統漏電故障定位仿真研究[J].計算機仿真,2016,33(2):330-334.

[5] 胡明影.礦用電纜故障點定位方法的研究[D].淮南：安徽理工大學,2016.