云崗礦井下高壓供電網絡絕緣監測研究

辛 磊

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

云崗礦位于大同市西郊，年生產能力450 萬t，井田面積59 km2，主要開采大同侏羅紀煤系。煤層構造簡單，斷層較少，傾角小。近年來井下作業機械化和自動化程度極大提升，井下高低壓配電系統進行了多次擴容，尤其是高壓電網結構越來越復雜，故障頻發。統計發現高壓電網的漏電故障發生率最高，約占總故障率的75%。之所以漏電故障頻發與井下潮濕且粉塵濃度高等工況環境有極大關系，電纜設備的絕緣性無法有效保障[1]，而改造擴容的高壓電網抵御故障能力偏弱，很大程度上制約了煤礦生產作業能力。云崗礦井下高壓電網電纜沿著井下巷道設置，絕緣故障監測時干擾信號多，故障特征信號難以提取[2]，在線絕緣監測效果不好。因此采用有效的電纜絕緣特征信號提取方法[3]，降低干擾信號對絕緣監測的影響，提升井下高壓供電網絡絕緣在線監測的精準性，是云崗礦降低井下高壓電網漏電故障影響的最佳途徑。

2 井下電纜絕緣在線監測原理

電纜絕緣性能降低機理是[4]：電纜絕緣層中存在氣體或水分等雜質，絕緣層與其他固體層之間緊密連接程度降低，在供電時會出現局部電場不均勻現象。局部電場過強則會導致放電，稱為樹枝老化。隨著老化程度加重，放電由最初的0.05～0.2皮庫（pc）增大至數萬倍，通過監測放電信息可判斷電纜的絕緣性能。電磁耦合法相較于其他PD 信號檢測方法而言，既不需要對監測電纜進行破壞，也不用提前安裝信號提取儀[5]，且能夠很好屏蔽掉井下巷道風噪、設備運行噪音以及高斯白噪音對信號提取的干擾，較大程度保留PD 信號信息，故選擇該方法進行監測。監測原理[6]：在井下電纜非埋地部分處裝置高頻電磁耦合傳感器用于電纜局部放電信號，對采集到的脈沖電壓信號利用高頻同軸電纜輸送至系統的電信號采集模塊進行信號預處理后傳至監測系統上位機進行特征提取、降噪運算等核心運算處理。在線絕緣監測系統架構如圖1。

圖1 基于PD 信號的電纜絕緣在線監測系統架構圖

3 井下電纜絕緣在線監測系統設計

3.1 硬件設計

設計的井下電纜絕緣在線監測系統主要硬件包括：高頻電磁耦合傳感器、信息采集模塊、數據處理模塊、光電轉化模塊以及上位機運算系統。高頻電磁耦合傳感器作為電纜放電信號原始數據采集元器件，以脈沖信號方式輸出電纜放電信息至信號調理電路進行濾波和放大處理[7]，經數據處理模塊和光電轉化模塊轉化后，通過光纖與信息接收模塊通信。上位機與信息傳輸模塊采用RS-485 總線方式，上位機系統對接收到的信號降噪處理后，將信號以波形圖形式在MSO7034B（最大采樣率 2 GSa/s）波形顯示器上顯示，系統結構如圖2。

圖2 井下電纜絕緣在線監測系統結構圖

1）高頻電磁耦合傳感器

高壓電纜絕緣性能降低產生的局部放電特點是出現周期不定、發生時間短、頻譜范圍相對較大等，因此電流傳感器的選擇是關鍵。基于監測信號特點，考慮到傳感器的穩定性和分辨率，選擇自積分形式的羅氏線圈電磁耦合傳感器，頻率上限（fH）和下限（fL）計算公式為[8]：

式中：Ls為高頻電磁耦合傳感器的自感電阻，Ω；Rs為高頻電磁耦合傳感器的等效電阻，Ω；R為高頻電磁耦合傳感器的積分電阻，Ω；Cs為高頻電磁耦合傳感器的雜散電容，F；

通過頻率上下限計算公式可以看出，增大自感電阻能夠擴大電流傳感器的工作頻帶寬，可以通過增加線圈匝數來實現，但會使傳感器的靈敏度降低，增大積分電阻可以提升靈敏度但降低工作頻帶寬，因此通過試驗不同自感電阻和積分電阻比值的高頻電磁耦合傳感器確定最佳設計值。

2）信息采集模塊

信息采集模塊的設計要完成輸入信號的濾波和放大處理，硬件架構主要包括了低通濾波電路、信號調理電路、數模轉化模塊、DSP、FPGA 處理器等，如圖3。

圖3 數據采集模塊圖

3.2 軟件設計

上位機對監測電纜局部放電信號提取后還會存在干燥信號影響到系統判定[9]，采用VMD 和信息熵的局部放電信號降噪算法進行降噪處理，降噪算法流程如圖4。采用VMD 對初始信號進行分解，得到數量為K的本征模態函數，對本征模態IMF 分量頻譜分析運算，得出每個分量的中心頻率，完成本征模態函數數量K數值的計算，計算模態函數的IMF 熵值，選取特征分量進行信號重構，即可實現局部放電信號的降噪分析，將降噪后的放電信號作為電源絕緣性能判定指標。

圖4 系統監測局部放電信號降噪算法流程

4 應用效果

為了驗證基于局部放電降噪算法的高壓供電網絡電纜絕緣監測系統實際效果，云崗礦對系統進行實驗室工況環境和井下實際工況環境分別測試，實驗室工況模擬來驗證系統對PD 信號的降噪效果，井下實際工況則驗證系統的功能性。

4.1 實驗室測試

利用煤礦現有資源搭建了高壓供電網，由一臺變壓器和6 個高爆開關組成，對電網的6 kV 礦用高壓電纜絕緣層破壞后，系統監測的波形如圖5。系統波形顯示器上顯示了一組PD 信號，未經過降噪處理時（圖5a）含白噪聲信噪比為-2.31 dB，降噪處理過程中K 值取5，IMF 分量信息熵分別顯示為0.719 7、0.687 9、0.670 2、0.504 3、0.378 1，選取2、4、6 分量重構后得到降噪后波形（圖5b），信號信噪比為12.25 dB，通過該試驗驗證了系統降噪效果完全達到設計目標。

圖5 實驗室模擬電纜絕緣破壞系統監測波形圖

4.2 實際工況測試

選擇井下設備噪音、諧波源豐富的掘進巷道的某條6 kV 高壓電纜為監測對象，監測系統功能。現場將系統互感器卡在MYJV 型6 kV 高壓電纜外屏蔽層上，采集PD 信號，見圖6（a）所示。為了避免電纜周圍的高頻磁場對電路板產生電磁干擾，將制作完成的絕緣監測電路板和數據傳輸模塊都放在了鋁制屏蔽盒。波形顯示器監測到的電纜實際運行實時波形圖為圖6（b）所示，波形圖中包含了大量噪點，波形混亂無法作為判定電纜絕緣信息的PD 信號，開啟自動降噪功能后，得到電纜局部放電量圖譜圖6（c）。經降噪處理后只保留了40 pc的放電量，通過放電量與絕緣狀態對應關系表1 可以看出，該條電纜狀態良好，可列入計劃性檢修。

表1 電纜局部放電量與絕緣狀態關系表

圖6 實際工況下電纜絕緣監測系統試驗圖組

系統對電纜局部放電信號的監測信號攜帶大量噪聲信息，系統將原始放電信號經變分模態分解后根據信息熵準則選取特征分量并信號重構，得到降噪波形滿足煤礦高壓供電網絡電纜絕緣性能監測需求，而系統抑制噪聲后放電信號幅值減小值在4%左右，說明系統對PD 信號削弱在合理區間內。

5 結語

針對云崗礦高低壓配電系統經多次擴容，復雜程度增加，但由于井下惡劣工況，高壓電網漏電故障頻發的問題，進行電纜絕緣性監測研究，形成以下結論：

1）井下電纜絕緣在線監測系統利用高頻電磁耦合傳感器對電纜局部放電信號進行采集，將信號通過高頻同軸電纜輸送至系統的電信號采集模塊進行信號預處理后傳至監測系統上位機進行特征提取、降噪運算等核心運算處理；

2）采用VMD 和信息熵的局部放電信號降噪算法對局部放電信號降噪分析，得到的電纜局部放電量圖譜圖作為電纜絕緣性能評價依據；

3）通實驗室測試和實際工況測試兩種方法對電纜絕緣監測系統的PD 信號降噪效果和絕緣性測定功能進行了測試，試驗結果達標。