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矿用高压电缆绝缘中气隙缺陷处电场分布及影响因素分析

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工矿自动化 2018年第4期44卷 44-51页

作者：杨硕耿蒲龙曲兵妮宋建成刘聚财田敏太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室山西太原030024 太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室山西太原030024 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿山西晋城048006

为了全面掌握电缆绝缘中气隙缺陷处电场分布的影响因素及规律,以矿用高压XLPE电缆为研究对象,利用ANSYS有限元软件建立了包含气隙缺陷的电缆结构模型;在对绝缘中气隙的形状、尺寸与电场强度的关系进行理论分析的基础上,仿真研究了气隙... 详细信息

为了全面掌握电缆绝缘中气隙缺陷处电场分布的影响因素及规律,以矿用高压XLPE电缆为研究对象,利用ANSYS有限元软件建立了包含气隙缺陷的电缆结构模型;在对绝缘中气隙的形状、尺寸与电场强度的关系进行理论分析的基础上,仿真研究了气隙的形状、尺寸、位置及绝缘层厚度对气隙中电场分布规律的影响。结果表明,4种不同形状的气隙中,椭圆柱体气隙缺陷处的电场强度最大,且垂直于绝缘中电场方向的气隙长度越大,气隙中电场强度越大;对于气隙尺寸,r值越大,气隙处电场强度越大,而气隙大小的变化对气隙处电场强度的影响并不大;对于不同半径的气隙,随着气隙距离导体屏蔽层距离的增大,气隙处最大电场强度均先增大后减小;对于给定尺寸的气隙,随着绝缘层厚度的减小,气隙中电场强度与绝缘中电场强度均相应增大。这些结论为气隙缺陷局部放电等相关研究奠定了基础,同时也为电缆的运行与维护检修提供了技术指导。

关键词：矿用高压电缆电缆绝缘气隙缺陷电场分布缺陷形状气隙尺寸绝缘厚度局部放电

矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统的研究

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矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统的研究

作者：丁伟民太原理工大学

学位级别：硕士

本课题是国家“十一五”科技支撑计划重点项目“矿井通风及供电系统安全状态监测及故障诊断预警系统”(No：2007BAK29B05)的重要组成部分,主要是针对目前矿用高压电缆缺乏状态监测及故障诊断预警系统这一问题而提出的。电缆是煤矿电力... 详细信息

本课题是国家“十一五”科技支撑计划重点项目“矿井通风及供电系统安全状态监测及故障诊断预警系统”(No：2007BAK29B05)的重要组成部分,主要是针对目前矿用高压电缆缺乏状态监测及故障诊断预警系统这一问题而提出的。电缆是煤矿电力传输、安全生产的关键设备之一,担负着安全生产的重任。据不完全统计煤矿供电设备事故中,电缆故障占2／3左右,它是造成煤矿瓦斯爆炸事故的主要原因之一。因此开发矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统,及时检测电缆在运行过程中的绝缘缺陷,提取预警信息可以预防电缆故障发生,对提高煤矿供电系统的安全可靠性、减少停电次数和时间,保证井下长期安全、稳定用电具有重要的现实意义。论文通过对矿用高压电缆常见故障、故障机理、在线监测手段的分析,开发了基于双CPU结构、多传感器信息融合技术的矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统,通过信号检测、特征量提取和信息融合实现故障诊断和预警,为电缆的可靠运行提供了技术保障。主要研究内容如下：在查阅大量国内外技术文献、进行多次现场调研、参加高压电器在线监测技术培训的基础上,深入分析了目前高压电缆状态监测及故障诊断预警技术的发展趋势,阐述了矿用高压电缆常见故障类型以及导致故障的原因,研究了高压电缆绝缘下降的机理,建立了电缆绝缘的数学模型,综合了人工神经网络技术、专家系统、虚拟仪器及智能化数据库在故障诊断预警中的应用,探讨了特征量在线检测的各种方法和手段,总结了特征量与故障之间的内在关系。结合井下电缆的实际网络,确定了分布式在线监测系统结构。整个系统由各个监测分站和井下中央变电所的工控机构成,形成电缆状态监测局域网络。各个监测分站实现对特征量的数据采集和简单处理,工控机完成复杂数字信号的处理、综合和判断,并将最终结果传输到地面。根据电缆运行状态监测的需要,设计并制作了微电流传感器和局部放电高频信号传感器,对传感器取样电阻和线圈匝数等进行了选择和优化,通过实验研究,取得了良好的效果。从系统的要求出发,提出了双CPU检测模式,选用51系列单片机STC89C51和Altera公司CycloneⅡ系列FPGA EP2C20F484C8作为系统的CPU。采用高速AD9283并扩展大容量存储器SDRAM、SRAM和FLASH,可以满足系统对高速信号采集和存储的要求。设计了数据采集单元、各种特征量信号调理电路。单片机与FPGA串口通讯电路以及与工控机的CAN总线通讯电路,并完成了电路板的制作和调试,搭建了系统实验平台,进行了各种故障实验。实现了数据的实时采集、综合和处理。结果表明硬件满足系统的实时性要求,并将处理的数据及时发送到工控机。采用模块化程序设计方法,编写了监测分站应用程序和工控机监测程序。包括各种特征模拟量采集处理子程序、单片机通信子程序、FPGA测试子程序、人机界面控制子程序、工控机滤波子程序,利用小波方法提出白噪声和窄带干扰滤出技术。将程序下载到单片机和FPGA中,进行了系统的调试,采样得到了各种特征量的数字信号,结果表明了该系统能够准确、实时地对特征量进行采集和转换,为下一步的工作打下了基础。

关键词：单片机 FPGA 矿用高压电缆状态监测故障诊断和预警

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矿用高压电缆绝缘特性在线评估系统的开发

矿用高压电缆绝缘特性在线评估系统的开发

作者：孙晓斐太原理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：矿用高压电缆在线监测故障预警绝缘状态评估 FPGA

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矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统的研究

矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统的研究

作者：苏文太原理工大学

学位级别：硕士

本项目是国家“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的研究”(No:2007BAK29B05)子课题的延续,本课题也是国家自然科学基金项目“矿用... 详细信息

本项目是国家“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的研究”(No:2007BAK29B05)子课题的延续,本课题也是国家自然科学基金项目“矿用高压电缆绝缘故障机理及其寿命评估方法研究”(51377113)的主要研究内容之一,主要是针对目前矿用高压电缆缺乏绝缘状态在线监测、无法评判电缆健康状况这一问题提出的。随着高产高效综采技术的发展,大型、特大型现代化矿井逐步建立,采煤综采综掘设备得到广泛应用,煤矿井下供电负荷大幅度增加,采煤机容量达到3000kW,供电距离逐步加大。为了提高煤矿井下电网供电能力,降低能量损耗,10kV等级电压供电方式得到大范围推广。矿用高压电缆是煤矿井下电能传输的重要媒介,它对煤矿安全生产及负荷的稳定性起着至关重要作用。因矿用高压电缆的运行环境特殊,经常遭遇淋水、潮湿、冒顶、拖拽等环境影响,并长期遭受到电、热、化学等应力联合作用,易出现水树枝或电树枝,长此以往会使电缆绝缘老化,从而导致电缆绝缘水平降低,缩短电缆使用寿命,引发电缆各种短路及接地故障的发生,甚至造成瓦斯、煤尘爆炸等重特大事故的发生。因此,研究矿用高压电缆绝缘状态在线监测方法,开发矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统,实时在线监测电缆运行状态,对提高煤矿井下电缆供电可靠性、保证煤矿供电安全、避免因电缆绝缘劣化而引起事故发生具有重要的现实意义。论文讨论了矿用高压电缆故障类型、故障原因以及故障特征量提取方法,开发了基于绝缘电阻及线芯温度的矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统。通过对电压信号、电流信号、温度信号的检测、提取,实现对矿用高压电缆绝缘状态在线监测,为矿用高压电缆连续、可靠、安全运行提供保证。本文的主要研究内容如下：在查阅大量国内外相关文献的基础上,结合现场考察情况,阐述了MYPTJ型矿用高压电缆结构,讨论了深井供电系统10kV电缆线路连接方式,研究了电缆故障类型及故障原因,分析了电缆故障分类方法,确定了电缆故障类型与故障特征量的关系,为综合各量对电缆绝缘水平进行有效的评估和监测提供依据。在深入讨论电缆绝缘特性基础上,分析了接地线电流、绝缘电阻、介质损耗等故障特征量,探讨了故障特征量与绝缘劣化程度的关系,研究了现有电缆绝缘在线监测方法。结合矿井电缆线路实际情况,确定绝缘电阻和线芯温度为监测特征量,建立了绝缘电阻参数识别模型和温度暂态模型,设计了矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统方案。依据检测信号特征,设计了电压信号调理电路、电流信号调理电路、温度信号调理电路、供电电路及DSP2812最小系统等,并对所设计的硬件电路进行测试。测试结果表明,所设计的硬件电路可靠性高,稳定性强,达到预期设计目标。在所设计硬件基础上,设计了系统软件程序,主要包含数据采集程序,如电压信号有效值采集程序、电流信号有效值采集程序、温度信号有效值采集程序、模型参数识别程序、线芯温度推算程序和通讯程序。应用程序基于C语言采用模块化方法设计,编写结构简单,执行效率高。软件调试表明,程序设计合理,满足设计要求。按照系统设计方案,在实验室条件下,搭建矿用高压电缆在线监测实验平台,进行硬件电路与软件程序联调。调试结果表明,硬件电路可准确采集故障特征信号,软件程序设计合理,实现了对矿用高压电缆绝缘电阻和线芯温度在线监测,为下一步工作奠定了坚实的基础。

关键词：矿用高压电缆绝缘状态在线监测模型识别 DSP2812

基于局部放电的矿用高压电缆绝缘在线监测系统研究

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基于局部放电的矿用高压电缆绝缘在线监测系统研究

作者：朱昊哲河南理工大学

学位级别：硕士

电力电缆作为主要的电能传输介质,在煤矿供电系统中发挥了极其重要的作用。我国煤矿现有的供电系统普遍采用6kV或10kV的电压等级,矿用高压电缆承担着电能输送的任务,将电能源源不断地输送至各个用电设备,因此电缆的安全可靠运行决定着... 详细信息

电力电缆作为主要的电能传输介质,在煤矿供电系统中发挥了极其重要的作用。我国煤矿现有的供电系统普遍采用6kV或10kV的电压等级,矿用高压电缆承担着电能输送的任务,将电能源源不断地输送至各个用电设备,因此电缆的安全可靠运行决定着整个煤矿的安全运转。对电缆的绝缘性能展开实时的在线监测,提前防范电缆隐患,减少设备故障的发生,降低因停电检修造成的用户损失,对于保障煤矿供电安全具有十分重要的意义。本文通过对比国内外现有的在线监测方法,分析现有技术的特点及存在的不足之处,基于矿用高压电力电缆的运行环境,确立了采用基于局部放电法的矿用高压电缆绝缘在线监测技术。从矿用高压电力电缆的结构出发,分析了绝缘逐步劣化过程,分析局部放电脉冲的产生原理,通过建立局部放电模型及数学模型,研究了局部放电脉冲的信号特征以及传播特性。针对局部放电监测信号幅值小、易受干扰的特点,提出了基于变分模态分解和自适应阈值的局部放电信号降噪方法,给出了该方法的步骤。与现有的小波变换进行对比分析,通过信噪比、均方误差和波形相似系数对结果进行量化分析,验证了在不同噪声情况下可以有效去除噪声信号,能够较为完整地保留原始信号波形,提高了采集信号的准确性。完成了基于局部放电的矿用高压电缆绝缘在线监测系统,包括硬件和软件设计,主要由高频电流传感器、信号处理模块、通讯模块和上位机组成。设计了基于罗氏线圈的高频电流传感器,可以实现与现有煤矿供电系统的无损检测。利用光纤传输技术,将采集数据及时传输至远方监控室。完成了后台在线专家分析系统,可实现在线监测电缆的实时绝缘状况。最后,本文对设计的在线监测系统进行验证,在实验室中建立6kV针-板放电模型,用于模拟电缆的尖角、毛刺、突起缺陷实验研究,然后在进行了现场带电试验,根据放电量和PRPD图谱综合判断一条6kV电缆发生了局部放电,确定了一处绝缘缺陷。实验结果表明了基于局部放电的矿用高压电缆绝缘监测系统的有效性与可靠性。

关键词：局部放电矿用高压电缆绝缘在线监测变分模态分解绝缘缺陷

基于分形特征和统计特征的矿用高压电缆人工缺陷局部放电模式识别方法的研究

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基于分形特征和统计特征的矿用高压电缆人工缺陷局部放电模式识别...

作者：崔晓慧太原理工大学

学位级别：硕士

本文是国家“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”中“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”(2007BAK29B05)子课题的延续,同时,也是国家自然科学基金项目“矿用高压电缆... 详细信息

本文是国家“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”中“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”(2007BAK29B05)子课题的延续,同时,也是国家自然科学基金项目“矿用高压电缆绝缘故障机理及其寿命评估方法研究”(51377113)的主要研究内容之一。该项目是针对矿井特殊条件下,特别是电、热、机械和环境等应力联合作用下电缆老化过程及故障机理等内容进行了研究。矿用高压电缆是矿井电能传输的媒介,是电源与用电设备之间连接的桥梁,它的可靠性直接影响到供电系统的连续性以及矿井生产的安全性。众所周知,电缆的局部放电特性可以反映其绝缘性能的好坏。因此,研究矿用高压电缆局部放电监测技术及其模式识别方法,掌握电缆绝缘状况和缺陷类型特征,及时发现电缆绝缘内存在的安全隐患,进行事故前维护,对保证电缆安全可靠运行,避免重大事故发生有着十分重要的意义。本文以矿用10kV交联聚乙烯电缆和乙丙橡胶电缆为主要研究对象,在探讨国内外高压电缆局部放电监测及其模式识别研究现状的基础上,人工模拟了矿用高压电缆中的绝缘缺陷,分别设计了电缆绝缘内含电树枝和气隙两种缺陷的试验模型,试验研究了两种缺陷的局部放电φ-q-n谱图,提取了局部放电特征量,提出了一种新的矿用高压电缆局部放电模式识别方法。主要研究内容如下：在查阅大量国内外相关文献的基础上,分析了矿用高压电缆常见故障原因和类型,研究和对比了各种电缆在线监测的方法,着重分析了局部放电信号特征量提取方法和模式识别方法。简要介绍了矿用高压电缆结构及井下供电线路的连接方式,分析了电缆绝缘故障类型及其形成原因,重点阐述了介质损耗、绝缘电阻、接地线电流、局部放电和线芯温度等特征量及其评价标准。针对矿用高压电缆在实际运行中出现的绝缘缺陷,设计了两种典型的缺陷模型,即电缆绝缘电树枝缺陷模型及电缆绝缘气隙缺陷模型。分别分析了两种缺陷的放电机理,通过试验获取了这两种人工缺陷的局部放电φ-q-n谱图,构造出局部放电灰度图像,为提取局部放电特征量奠定基础。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件建立了仿真模型,对两种电缆绝缘缺陷的电场分布进行了仿真,分析了电缆绝缘中的电树枝缺陷及气隙大小和形状对电场分布的影响,从理论上证明了两种缺陷是导致电场分布不均匀,造成局部电场集中、加速绝缘老化的原因。深入阐述了局部放电特征量提取的方法,运用统计特征提取方法和分形特征提取方法,设计了特征提取程序,提取了局部放电特征量,包括分形维数、空隙度、正负半波偏斜度和正负半波陡峭度,并将其作为局部放电模式识别的样本数据。分别提出了基于可拓理论和BP神经网络(Back-propagation Neural Network, BPNN)理论的矿用高压电缆局部放电模式识别方法,编写了局部放电模式识别程序,通过模拟现场局部放电数据分析和对比了可拓识别和BPNN识别的准确率,试验结果表明：可拓识别方法识别准确率更高、识别速度更快,可以用于识别矿用高压电缆局部放电模式,诊断电树枝和气隙引起的缺陷。

关键词：矿用高压电缆电树枝气隙局部放电模式识别分形特征统计特征 BPNN 可拓理论

矿用高压电缆在线监测系统CAN总线控制器的设计

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工矿自动化 2011年第9期37卷 52-55页

作者：刘姝敏宋建成许春雨耿蒲龙太原理工大学电气与动力工程学院

针对矿用高压电缆在线监测系统缺乏高效监测平台和可靠通信方式的现状,提出了一种矿用高压电缆在线监测系统CAN总线控制器的设计方案,详细介绍了该控制器的硬件电路设计、程序状态机的实现、波特率的设定及SPI通信的实现。该控制器以FPG... 详细信息

针对矿用高压电缆在线监测系统缺乏高效监测平台和可靠通信方式的现状,提出了一种矿用高压电缆在线监测系统CAN总线控制器的设计方案,详细介绍了该控制器的硬件电路设计、程序状态机的实现、波特率的设定及SPI通信的实现。该控制器以FPGA芯片EP2C20F484C8为监测核心,以MCP2510作为总线控制器,采用Verilog HDL语言编写应用程序。实验结果证明了该控制器的实时性和可靠性。

关键词：矿用高压电缆在线监测 CAN总线控制器 FPGA MCP2510

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矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统的研究

机械管理开发 2016年第9期31卷 70-71,86页

作者：李超强大同煤矿集团朔州煤电铁峰煤业公司山西朔州037022

通过对当前矿用高压电缆绝缘故障的类型及原因进行分析,指出了常用的监测方法,并对矿用高压电缆在线监测系统的设计要点进行了阐述分析。运用矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统,能够及时有效地在线监控整个高压电缆系统故障。

关键词：矿用高压电缆绝缘状态在线监测

基于局部放电法的矿用高压电缆信号去噪算法研究

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能源与环保 2020年第11期42卷 130-133,141页

作者：陈会峰张伟马星河河南焦煤能源有限公司九里山矿河南焦作454000 河南理工大学电气学院河南焦作454000

干扰噪声直接影响局部放电法有效检测矿用高压电缆故障。基于局部放电法,综合采用理论计算、仿真实验、现场试验的方法,对比分析了短时傅里叶变换和傅里叶分析去噪法的原理和优缺点,提出了一种矿用高压电缆的局部放电去噪算法——小波... 详细信息

干扰噪声直接影响局部放电法有效检测矿用高压电缆故障。基于局部放电法,综合采用理论计算、仿真实验、现场试验的方法,对比分析了短时傅里叶变换和傅里叶分析去噪法的原理和优缺点,提出了一种矿用高压电缆的局部放电去噪算法——小波阈值去噪法,同时,选择了合理的阈值函数和去噪流程。基于此,采用白噪声和连续周期信号作为高压电缆的干扰噪声,进行了模拟仿真实验。结果表明,小波阈值去噪法可有效抑制白噪声,其中,Db2小波性能和去噪效果最好;同时,现场试验结果显示,去噪后信噪比得到了显著增加,验证了小波阈值去噪法的合理性和可靠性。

关键词：阈值去噪局部放电信号检测小波去噪方法矿用高压电缆仿真实验