矿用高压电缆绝缘特性在线评估系统的开发

作     者：孙晓斐 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋建成

授予年度：2013年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：矿用高压电缆 在线监测 故障预警 绝缘状态评估 FPGA 

摘      要：本课题是国家“十一五科技支撑计划“煤矿全矿井安全生产数字化监测监控及重大灾害预警系统重点项目“煤矿通风及供电系统安全状态监测及故障诊断预警系统的研究(课题编号2007BAK29B05)的重要组成部分,是针对目前缺少矿用高压EPR电缆绝缘特性在线监测及评估系统这一问题提出的。随着煤矿大高综采工作面的发展,采煤机和刮板输送机总装机功率的增大,越来越多的煤矿采用1OkV的电压直接下井供电。电压等级的提升,给煤矿井下供电系统带来了严峻考验。在煤矿井下供电系统中,供电线路全部采用电缆供电。由于井下环境恶劣、空气潮湿,工作状况不稳定,负荷波动大,长期运行会导致电缆绝缘性能恶化,泄漏电流增大。如不及早发现,极易引发煤尘燃烧、瓦斯爆炸,给矿井安全生产带来严重威胁。因此,探索矿用高压电缆绝缘恶化机理,研究矿用高压电缆绝缘特性检测方法,开发矿用高压电缆绝缘状态在线检测系统,实时掌握矿用高压电缆的绝缘状况,及时发现潜在的绝缘缺陷,实现故障预警,对煤矿安全生产、可靠供电具有重要的现实意义。通过查阅大量国内外相关文献,结合实地考察情况,在深入分析现有绝缘评估方法的基础上,综合考虑可行性、安全性和经济性,确定了电缆绝缘的特征参量,开发了矿用高压电缆绝缘在线评估系统。本文主要研究内容如下：1.建立了矿用电缆绝缘特性表征量与故障类型之间的对应关系在研究矿用EPR电缆的基本结构和井下供电线路连接方式的基础上,分析了矿用电缆常见故障原因和故障类型,建立了绝缘特性表征量和故障类型之间的对应关系,为故障诊断奠定了基础。2.基于绝缘介质老化机理建立了绝缘介质交流极化的电路模型通过深入分析绝缘介质的老化机理,以及绝缘特性表征量随着绝缘劣化的变化趋势,建立了电缆绝缘介质交流极化的电路模型,为分析电缆绝缘在线评估方法提供了理论参考。3.设计了基于多个表征量的电缆绝缘性能评估方案综合考虑煤矿井下供电线路的连接方式和特殊环境条件,选取了绝缘电阻、温度和局部放电作为矿用高压电缆绝缘特性在线检测的表征量,设计了矿用高压电缆绝缘特性在线评估方案,并通过试验验证了方案的可行性。4.开发了矿用高压电缆绝缘特性在线评估系统根据检测信号的特点,设计了信号调理电路、采样电路、通讯电路、供电电路和基于FPGA的数据处理系统,结合上位机的故障诊断程序,实现了对矿用高压电缆的在线检测和绝缘状态的在线评估功能,为今后开发矿用高压电缆的寿命评估系统积累了宝贵经验,并提供了坚实基础。在实验室对所开发的系统进行了调试,并将该系统应用于矿井下,应用效果表明：该系统结构简单、运行可靠,能够准确采集、实时处理矿用高压电缆绝缘特性表征信号,实现绝缘性能在线评估,为进一步研究打下了基础、积累了经验,填补了国内外矿用高压电缆绝缘在线评估的空白。