专利名称：一种矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压电缆状态监测及故障诊断预警装置，特别是一种用于煤矿井 下高压电缆状态监测及故障诊断预警装置。
背景技术：
随着大型矿井工作面的不断延伸，矿用高压电缆敷设越来越长，供电网络也越来 越复杂。运行电缆因操作过电压、机械损伤和水分的侵入，在电场长期作用下会出现局部放 电、电树枝和水树枝，引起绝缘老化变质，严重时会产生接地故障。据不完全统计煤矿供电 设备事故中，电缆故障占2/3左右，是造成煤矿瓦斯爆炸事故的主要原因之一。目前多数矿 用高压电缆都采用定期检修制度，不仅需要大量的人力和财力，而且不能及时发现电缆绝 缘下降的隐患。煤矿井下长期以来高压电缆接地故障采用基于零序电压的绝缘监测装置或 基于功率方向的漏电保护装置。前者在电网三相绝缘对称下降后，不能反映其变化；后者 只有在电缆发生漏电后才能发出跳间信号，不能在单相接地故障发生前对煤矿电网的绝缘 水平做出准确的预测。国内外生产的高压电缆监测设备检测参数单一，针对矿用高压电缆 状态监测的研究更少。北京埃德尔公司的高压电缆局部放电检测仪OSM-Longshot检测局 部放电量，监测长度5公里，无法覆盖井下高压电缆网络。哈尔滨工业大学博士后研究报告 “交联聚乙烯电缆的老化特性与在线检测技术研究”中提到直流叠加法检测绝缘电阻的原 理同样存在检测参数单一的问题，并且需要在电缆的接地线上串入监测装置，增大了电缆 接地线的电阻，不能满足煤矿安全生产的要求。T-903和T-905电力电缆故障测距仪只能对 故障电缆进行测距，不能及时发现潜在故障隐患，无法实现故障预警。要想解决上述问题，保证煤矿供电安全、可靠、稳定运行，迫切需要一种结构简单、 成本较低，而且测量可靠并具有比较完备功能的电缆绝缘状态实时监测装置，实现矿用高 压电缆由故障后的检修转换为故障前的预警。经查新，本发明提出的矿用高压电缆状态监 测及故障诊断预警装置未见有报道。

发明内容
本发明的目的是提供一种矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警装置，解决现有 煤矿井下高压电缆运行状态及时在线监测以及故障诊断及时预警的问题，涉及的技术问题 是高压电缆在煤矿井下运行的多特征量在线监测、多特征量信息融合、多特征量信息提取、 故障诊断以及预警的问题，以进一步提高煤矿井下生产供电的稳定性和可靠性，保证煤矿 井下生产的安全运行。基于上述目的和问题，本发明所采取的技术方案包括传感器单元、输入电抗器单 元、电压互感器单元、供电单元、绝缘电阻监测单元、特征量信号处理单元、特征量信号采集 发送单元、局部放电信号采集单元、FPGA系统单元、工控机单元和防爆外壳。其特征在于输 入电抗器单元和电压互感器单元的原边直接与矿井电网连接，输入电抗器单元中的电抗器 中性点和电压互感器单元副边接绝缘电阻监测单元，传感器单元通过信号线与特征量信号
3处理单元、局部放电信号采集单元相连接；特征量信号处理单元通过信号线与特征量信号 采集发送单元相连接；特征量信号采集发送单元通过通讯线与FPGA系统单元相连接；局部 放电信号采集单元通过数据线与FPGA系统单元相连接；FPGA系统单元通过CAN总线与工 控机相连接；供电单元输入接电压互感器副边，通过内部开关电源提供电路板需要的直流 电压，传感器单元安装在配电装置内部，隔爆外壳将整个装置电气部分封装在其隔爆腔体 内。其中，所述的输入电抗器单元输入接矿井交流高压电网，中性点接入绝缘电阻监测单 元；所述的电压互感器单元输入接矿井交流高压电网，低压副边输出有两路，一路接 绝缘电阻监测单元，另一路接供电单元；所述的传感器单元包括温度传感器、微电流传感器、毫安电流传感器和局部放电 高频信号传感器；温度传感器、微电流传感器、毫安电流传感器通过信号线与特征量信号处 理单元相连接；局部放电高频信号传感器通过信号线与局部放电信号采集单元连接；所述的特征量信号处理单元主要包括接地线电流信号、温度信号调理电路；输出 与特征量信号采集发送单元连接；所述的绝缘电阻监测单元输入接电抗器中性点和电压互感器的低压副边，输出与 特征量信号采集发送单元连接；所述的特征量信号采集发送单元包括STC89C51单片机、A/D转换器和MAX232通 讯芯片，通过RS232串口与FPGA系统单元连接；所述的局部放电信号采集单元包括高频信号放大电路、滤波电路、高速A/D转换 器，通过数据线、时钟线和控制线与FPGA系统单元连接；所述的FPGA系统单元包括FPGA芯片、扩展SDRAM和FLASH、通讯电路；通讯部分 包括两路，一路是与特征量信号采集发送单元连接的RS232通讯电路，另一路是与工控机 单元连接的CAN总线电路；所述的特征量信号采集发送单元固化了 A/D采样程序和串口通讯程序；所述的FPGA系统单元固化了高速信号采样程序、滤波程序、RS232通讯程序和CAN 总线通讯程序；所述的防爆外壳是由具有隔爆性能和耐爆能力的钢板按防爆设计要求制成的，包 括主腔体和进出线腔，隔爆方式为平面止口隔爆形式。本发明上述技术方案采用模块化的系统结构，将传感器单元、输入电抗器单元、电 压互感器单元、供电单元、绝缘电阻监测单元、特征量信号处理单元、特征量信号采集发送 单元、局部放电信号采集单元、FPGA系统单元、工控机单元和隔爆外壳集成了一个有机的整 体，解决了现有煤矿井下高压电缆运行状态及时在线监测以及故障诊断及时预警的问题， 通过高压电缆在煤矿井下运行的多特征量在线监测、多特征量信息融合、多特征量信息提 取、故障诊断以及预警技术的实现，进一步提高了煤矿井下生产供电的稳定性和可靠性，保 证了煤矿井下生产的安全运行，为煤矿井下生产的现代化提供了可靠的保证。本发明装置的优点与积极效果还集中体现在(1)本发明装置中传感器单元和绝 缘电阻监测单元采集运行电缆数据，得到反映矿用高压电缆绝缘状态的特征量，由工控机 实时处理，实现了在线监测电缆的绝缘状态。(2)本装置工控机单元将采集的特征量信息进行信息融合，综合判断矿用高压电缆的绝缘状况，并得出预警结论，实时综合判断绝缘状 态，实现故障前预警。(3)本装置采集矿用高压电缆的特征量有温度、接地线电流、绝缘电阻 和局部放电信息，不同于以往的单一参数监测，为绝缘水平的判断提供了丰富而客观的准 确依据，监测的特征量多，判断依据充分，信息丰富，预警准确度高。(4)本装置每一个监测 分站自成系统，监测范围长达5公里；FPGA系统单元中的CAN传输距离达到10公里以上， 最远监测距离达15公里，完全覆盖井下高压电缆网络；工控机单元处理CAN总线上挂接的 所有监测分站信息，同时处理每一回路矿用高压电缆的特征量数据，监测电缆回路多，监测 范围广，适用于煤矿井下运行的高压电缆状态监测及故障诊断预警。


图1是本发明的监测装置组成结构图2是本发明的绝缘电阻监测原理图3是本发明的温度信号调理电路图4是本发明的微安电流信号调理电路图5是本发明的毫安电流信号调理电路图。
图6是本发明的局部放电高频信号采样电路；
图7是本发明的特征量信号采集发送单元电路图8是本发明的FPGA系统单元3. 3V电源电路图9是本发明的FPGA系统单元1. 2V电源电路图10是本发明的FPGA系统单元扩展FLASH电路图11是本发明的FPGA系统单元扩展SDRAM电路图12是本发明的FPGA系统单元配置方式电路图13是本发明的FPGA系统单元复位、时钟电路图14是本发明的FPGA系统单元通讯电路图15是本发明的FPGA系统单元与局部放电信号采集单元连接图
具体实施例方式下面通过实施例进一步详细描述本发明提出的一种矿用高压电缆状态监测及故 障诊断预警装置，所述领域的普通技术人员在阅读了本实施例后，能够理解和实施本发明， 同样，本具体实施例也能够带来如上述的优点和积极效果，实现本发明所述目标。矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警装置是集传感器单元、输入电抗器单元、 电压互感器单元、供电单元、绝缘电阻监测单元、特征量信号处理单元、特征量信号采集发 送单元、局部放电信号采集单元、FPGA系统单元、工控机单元和隔爆外壳为一体的矿用高压 电缆监测装置。所述的传感器单元采集接地线电流信号、温度信号和局部放电高频信号；所 述的电抗器单元为附加直流检测绝缘电阻提供直流回路；所述的电压互感器单元将高压降 为低压，为附加直流电路(AC/DC)提供AC输入，同时作为供电单元的输入；所述的绝缘电阻 监测单元提供附加直流电路、取样电阻、滤波电路和线性隔离电路，为绝缘电阻检测提供回 路和信号调理电路；所述的特征量信号处理单元将输入的微电流传感器、毫安电流传感器、 温度传感器信号调理到0 5V之间；所述的特征量信号采集发送单元将接地线电流、温度、绝缘电阻等模拟量信号转换成数字信号并发送到FPGA系统单元；所述的局部放电信号采 集单元用于调理高频局部放电信号并进行AD转换；所述的FPGA系统单元用于接收所有特 征量数字信号，包括接地线电流、温度、绝缘电阻和局部放电信号，并发送到工控机单元；所 述的隔爆外壳将整个装置电气部分封装在腔体内。如图1所示为监测装置组成结构图。每个装置为一个监测分站，各监测分站安装 在井下中央变电所和每五公里处的接线盒附近。4路温度传感器、1路微电流传感器和1路 毫安电流传感器接入特征量信号处理单元；输入电抗器单元中的电抗器中性点和电压互感 器单元副边接入绝缘电阻监测单元；绝缘电阻检测单元将绝缘电阻信号调理到0 5V之 间，输出接至特征量信号采集发送单元；特征量处理单元将接地线电流、温度信号调理到 0 5V之间，输出接至特征量信号采集发送单元；特征量信号采集发送单元将0 5V模拟 量信号进行AD转换，通过RS232通讯线发送到FPGA系统单元；3路局部放电高频信号传感 器接入局部放电信号采集单元；局部放电信号采集单元将3路输入进行放大、滤波和AD转 换，并将AD转换后的数字信号发送到FPGA系统单元，其AD转换芯片的控制信号和时钟信 号由FPGA系统单元提供；FPGA将所有特征量数字信号(接地线电流、温度、绝缘电阻、局部 放电)通过CAN总线发送到中央变电所的工控机单元；工控机单元通过工业以太环网将故 障诊断结果发送到地面。监测分站内所有电路板电源由供电单元提供，输入接电压互感器 单元副边，内部含有开关电源进行AC/DC变换，直流电压输出至每一块电路板。如图2所示为在线监测绝缘电阻原理图。R2限流保护电阻；Cl、C2、C3和R3、R4、 R5构成50Hz双T陷波器；R6、R7和C4、C5构成低通滤波器，在直流电源与电抗器中性点之 间接入50Hz双T陷波器和低通滤波器；R8为取样电阻；RA、RB、RC和CA、CB、CC并联代表电 缆绝缘等效模型。附加直流电源DC、输入电抗器单元、50Hz双T陷波器、低通滤波器和电缆 绝缘构成回路，直流电压叠加在电缆绝缘上。电压互感器单元副边输出交流进行AC/DC变 换得到附加直流电源DC，输出接入图7中特征量信号采集发送单元JP3的2 口，JP3的2 口 接AD转换器的第6通道，每一部分电路不做详细描述。如图3所示为温度信号调理电路图。将温度传感器信号调理成电压信号。温度 传感器采用PT100，三线制输出。Ul将热敏电阻输出信号调理成4 20mA电流信号，U2将 4 20mA电流信号调理成0到5V的电压信号。U2的引脚15为输出温度电压信号，4路温 度输出信号tem接入图7中特征量信号采集发送单元JP3的3、4、5、6端，JP3的3、4、5、6端 接AD转换器的第5、4、3、2通道。如图4所示为接地线电流检测中微安电流信号调理电路图。将微安电流传感器的 电流信号调理成0 5V电压信号。微安电流传感器接Ul，Ul为电流跟随器，增大微弱的微 安级电流信号；U2、R2构成I/V转换电路，R7为调零电位器，R4、C4为低通滤波电路，R5、R6 调节放大倍数，U3B、R8、R9、DU D2为抬高半电平电路。输出earthl接入图7中特征量信 号采集发送单元JP3的7端，JP3的7端接AD转换器的第1通道。如图5所示为接地线电流检测中毫安电流信号调理电路图。将毫安电流传感器的 电流信号调理成0 5V电压信号。毫安电流传感器接取样电阻R10，后面为滤波、放大和抬 高半电平电路，输出earth2接入图7中特征量信号采集发送单元JP3的8端，JP3的8端 接AD转换器的第0通道。如图6所示为局部放电高频信号采集电路图。将高频信号传感器耦合的局部放电信号进行调理、采样。输入input接局部放电高频传感器，R20为取样电阻，Rl为限流电阻， Ul、R2、R3构成有源放大电路，U2为专用滤波芯片，引脚4输出接分压电阻R13、R14，R15、 R16确定放大倍数，U4为AD转换器，输出DlO至D17的8位数字信号接至图15中FPGA系 统单元的JP3，U4的时钟信号ENCCOK和控制信号CON由图15中FPGA系统单元的JP3提 供。局部放电高频信号采集单元共有3路信号采集电路，所有数据线、时钟线、控制线连接 至图15中FPGA单元的JP3。如图7所示为特征量信号采集发送单元电路图。将特征量(温度、接地线电流和 绝缘电阻)模拟信号转换成数字信号。JP3接图2的输出、图3的输出、图4的输出和图5 的输出。UlO将12V直流电压转变为5V直流电压，为此单元电路提供电源；U24为AD转换 器，将所有模拟量信号转换为数字量信号；U24为串行口通讯芯片，输出RS232通讯端口 Jl 连接至图14中FPGA单元的RS232P0RT端口，将数字量信号发送到FPGA系统单元；所有工 作由U22单片机控制完成。如图8、9、10、11、12、13所示为FPGA系统单元的电源、扩展FLASH、扩展SDRAM、配 置方式和时钟复位电路图。如图14所示为FPGA系统单元的通讯电路图。接收特征量信号采集发送单元发送 的数字信号和局部放电信号采集单元的数字信号，并将所有温度、接地线电流、绝缘电阻和 局部放电信号发送到工控机单元。RS232P0RT接图7中串行通讯端口 Jl。UUl为RS232通 讯芯片，接收特征量采集发送单元的特征量数字信号。U2为CAN控制器，其1和2引脚为数 据的发送接受端，U2C和U3C为光耦隔离芯片，UlOC为CAN接收器，数据输出至CAN PORT。 CAN PORT通过CAN总线连接至中央变电所的工控机单元。如图15所示为FPGA系统单元与局部放电信号采集单元连接口，Pl接图6中3路 D10-D17、CON和ENCLK，右半部分还预留了部分FPGA端口，方便系统的扩展。对所述的供电单元，输入接电压互感器单元副边，进行AC/DC变换，为每一块电路 板提供直流电源。
权利要求
一种矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警装置，包括传感器单元、输入电抗器单元、电压互感器单元、供电单元、绝缘电阻监测单元、特征量信号处理单元、特征量信号采集发送单元、局部放电信号采集单元、FPGA系统单元、工控机单元和防爆外壳，其特征在于输入电抗器单元和电压互感器单元的原边接入矿井高压电网，输入电抗器单元中的电抗器中性点和电压互感器单元副边接绝缘电阻监测单元，传感器单元通过信号线与特征量信号处理单元、局部放电信号采集单元相连接，特征量信号处理单元通过信号线与特征量信号采集发送单元相连接，特征量信号采集发送单元通过通讯线与FPGA系统单元相连接，局部放电信号采集单元通过数据线与FPGA系统单元相连接，FPGA系统单元通过CAN总线与工控机相连接，供电单元输入接电压互感器单元副边，通过内部开关电源提供电路板需要的直流电压，传感器单元安装在配电装置内部，隔爆外壳将整个装置电气部分封装在其隔爆腔体内。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于传感器单元是温度传感器、微电流传感器、 毫安电流传感器和局部放电高频信号传感器；其中，温度传感器、微电流传感器、毫安电流 传感器通过信号线与特征量信号处理单元相连接；局部放电高频信号传感器通过信号线与 局部放电信号采集单元连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于特征量信号处理单元是接地线电流信号和 温度信号调理电路；其中，接地线电流信号调理电路包括微安电流信号调理电路和毫安电 流信号调理电路，输出与特征量信号采集发送单元连接。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于绝缘电阻监测单元输入接输入电抗器单元 中的电抗器中性点和电压互感器单元副边，输出与特征量信号采集发送单元连接。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于特征量信号采集发送单元是STC89C51单片 机、A/D转换器和MAX232通讯芯片，通过RS232串口与FPGA系统单元连接。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于局部放电信号采集单元是高频信号放大电 路、滤波电路和高速A/D转换器，通过数据线、时钟线和控制线与FPGA系统单元连接。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于FPGA系统单元是FPGA芯片、扩展SDRAM 和FLASH、通讯电路；其中通讯电路包括两路，一路是与特征量信号采集发送单元连接的 RS232通讯电路，另一路是与工控机单元连接的CAN总线电路。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于特征量信号采集发送单元固化了A/D采样 程序和串口通讯程序。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于FPGA系统单元固化了高速信号采样程序、滤 波程序、RS232通讯程序和CAN总线通讯程序。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于防爆外壳是由具有隔爆性能和耐爆能力的 钢板按防爆设计要求制成的，包括主腔体和进出线腔，隔爆方式为平面止口隔爆形式。
全文摘要
一种矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警装置是将输入电抗器单元和电压互感器单元原边接入电网，电抗器中性点和电压互感器单元副边接绝缘电阻监测单元，传感器单元由信号线与特征量信号处理单元、局部放电信号采集单元连接；特征量信号处理单元由信号线与特征量信号采集发送单元连接；特征量信号采集发送单元由RS232通讯线与FPGA系统单元连接；局部放电信号采集单元由数据线与FPGA系统单元连接；FPGA系统单元由CAN总线与工控机连接；供电单元输入接电压互感器副边，通过内部开关电源提供电路板需要的直流电压，传感器单元安装在配电装置内，隔爆外壳将整个装置的电气部分封装在其腔体内。本发明采用模块化系统结构，提高了煤矿井下生产供电的稳定性和可靠性，保证了煤矿井下生产的安全运行，为煤矿井下生产的现代化提供了可靠的保证。
文档编号G01R31/08GK101893672SQ201010220639
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月3日 优先权日2010年7月3日
发明者丁伟民, 姜红伟, 宋建成, 田慕琴, 许春雨, 郭安林 申请人:太原理工大学