1、引言

我国是一个石油少煤炭多的国家，煤炭资源十分丰富。据统计，在世界已探明的煤炭储量中，我国占33．8％，居第二位，煤炭产量居世界第一位，出口量居世界第二位。作为我国能源安全的基石，煤炭在一次能源消费结构中占 70％以上。目前，我国正处于新经济阶段及工业化阶段的上升时期，能源消耗很大。

安全生产是增加煤炭产量、提升煤炭生产能力的前提。由于煤矿运行环境特殊，经常遭遇淋水、潮湿、冒项等环境，受到电、热、化学等应力影响。受早期生产工艺制约，设备绝缘层会出现破损、褶皱、杂质、偏心度过大等问题，在电、热、学等应力作用下，设备绝缘层中易出现水树枝、电树枝、电化学树枝，长此以往，引起设备绝缘老化，从而导致绝缘水平降低，缩短设备使用寿命，甚至引发单相、两相接地故障及短路故障。如果任其发展，不及时发现并切断故障线路，会导致故障线路接地处出现电弧。当煤尘与瓦斯达到一定浓度时，在电弧作用下，可能发生瓦斯或煤尘的燃烧，甚至爆炸，对安全运行及人员安全带来严重威胁。

因此，为确保系统安全运行，运行和检修 ，通常是在系统和设备停运后人工用兆欧表进行绝缘数据测试，定期监测热 否投入运行。这样的做法显然是被动且有定盲目性的，而且仍不能避免和 ，监控运行及备用中高压设备的绝缘电阻，防止设备因绝缘缺陷引发事故 方面：（1）研究高压电气设备在线绝缘测试，可实现在线或离线测试高压设 能确保高压电力系统的安全运行，实现自动控制，能有效节约能源、人力、物力 ）防止人员误操作或设备故障，造成设备的损坏

2、高煤尘环境对电气设备的影响

矿尘是悬浮在矿井空气中的固体矿物微粒，对矿井的安全生产有着严重的影响。世界各国在煤矿开采历史上所受到的煤尘危害是惨痛的。煤尘中的杂质会附着在电气设备的绝缘表面上，形成短路通道，导致绝缘失效，从而影响设备的正常运行。高湿度环境会导致金属部件氧化腐蚀，绝缘材料性能下降。当相对湿度超过 60%时，可能引发漏电流增大、短路等故障，显著增加触电风险。

1、 基本概念

矿尘是指在矿山生产和建设过程中所产生的各种煤、岩微粒的总称。在选煤、装煤等生产作业时，工作面煤尘浓度高达 4000～8000 mg/m有的甚至更高。

矿尘又分为浮游矿尘和沉积矿尘。

表 2-1-1 落尘变成浮尘风流的变化与矿尘粒度的关系

（一） 矿尘的悬浮性

分散度高的尘粒可以较长时间在空气中悬浮，不易降落，这是微细矿尘的一种物理特性，叫悬浮性。据实验，不同粒度的煤尘在静止的空气中从 1m 高处自由降落到底板所需的时间如表 2-2-1。

表 3-1-2 不同粒度的煤尘从 lm 高处自由降落到底板所需时间

矿尘与空气中的水分结合的现象叫吸湿性或者叫湿润性。各种矿尘可根据它与水分结合的程度分为亲水性和疏水性两类。

（三） 矿尘的荷电性

尘粒由于在粉碎过程和在空气流动中摩擦而带有电荷，悬浮在空气中的矿尘亦可直接吸附空气中的离子而产生电荷。

（四） 矿尘的光学特性

矿尘的光学特性包括矿尘对光的反射、吸收和透光强度等性能。在测尘技术中，常常用到这一特性。

3、矿尘对电气设备的危害

（一）引发短路和误动作

矿尘堆积在电气控制柜、开关触点等部位，可能破坏绝缘强度，导致电路短路或设备误动作。例如某冶金厂因金属粉尘堆积导致行车控制柜误动，引发安全事故。

粉尘进入继电器触点、电磁铁芯等关键部位，会造成开关接触不良、电路不稳定，甚至引发设备损坏。

（三）散热效率下降

矿尘堵塞电动机通风道或机壳散热片，可使设备温度升高 10℃以上，导致运行效率下降甚至过热保护。例如散热片积尘可使主变温度上升 5-10℃，影响设备带载能力。

3、在高煤尘环境下高压电机绝缘智能检测系统的应用

3.1 整体方案

由于******项目是在****地的选煤厂项目，其需要被检测电机比较分散，分布地域比较广，而且在维护人员较少的情况下，在煤尘环境下高压电机绝缘检测智能系统被提出。

高压电机绝缘检测系统采用分布式管理平台，方便系统查询各时段各个配电所所属电机的绝缘状态，可为调度提供更优质的调度方案。在硬件方面，根据环境因素，重新设计检测装置、隔离装置等设备，使其更好地适应本地环境，为决策人员提供更加准确的测量数据。其总体设计如下图所示：

3-1 总体系统图

3.2 分布式管理平台

高压电机绝缘智能检测系统基本架构可分为数据处理层、中间层、数据采集层三个层级，可使处于隶属或平行关系的监测系统互联起来，形成可实现多种应用需求的系统集成平台。 的运行情况及前端各监控点的数据。同时，在获得授权许可的情况下，同级平台之间可进行跨区域访问，最终实现整个监测网络资源信息的高效共享，达到提升管理水平及工作效率的目的。

3.2.1 平台架构

高压电机绝缘智能检测系统以服务器为核心，采集高压电机绝缘状态，具有高压电机系统分布图、查询绝缘状态信息、告警、存储、多级用户管理、日志管理等功能，主要分三层。

1、数据处理层

该层级属于所有目标平台的共同上级平台，可以实现对整个系统的用户认证、权限分配、资源控制、设备配置、设备状态检测和历史查询等所有功能。数据处理层的核心设备是高压电机绝缘检测系统服务器，负责整个多级平台的用户认证、统一管理配置、资源调度及后台数据交换等功能；电机绝缘状态异常报警记录和设备异常记录；建立报警日志，根据需要可随时获取当前报警数据。

2、中间层

该层级属于多级平台中的分控平台，负责对本区域数据采集层的管理和监控。中间层级具有良好的扩展性，可以是两层以上的更多层，层级间隶属关系依次扩展。中间层级平台负责向数据处理层提供数据， 并对数据采集层的数据存储。

3、数据采集层

该层级隶属于中间层分控中心，是最底层检测平台。数据采集层的主要功能是对各自对应的高压电机进行绝缘检测，并上传给中间层数据。

3-2 高压电机绝缘智能检测系统分布式结构图

3.2.2 平台实现功能

1、多级管理：由网络监控管理平台及后端管理设备组成的多级管理平台实现多级分级管理，有效解决大型复杂工程的大规模监管问题。

3、便于针对不同规模的应用需求搭建不同规模的系统。

4、当某一功能模块出现故障，不会影响其它设备的运行，因此，维护简单，单项管理功能更强大。

5、实时监测页面，可供维护人员随时查看数据。

高压电机绝缘检测系统的监测页面动态显示、实时数据表、电机对应配电柜手车状态、报警信号、事件信息等信息。

6、数据管理

系统管理员通过数据管理器定义需要通过分布式监测系统发布的实时数据属性信息，确定监测系统、子系统、分站、测点等配置参数信息，以及测点数据对象的服务例程。系统提供通用和专门的测点数据服务例程，按定义的周期从工控网络的实时信息源获取数据，按标准接口，发送给数据服务模块。

3.3 环境因素对检测设备要求

由第二章节了解到高煤尘环境下对高压电机绝缘检测设备影响很大。对设计高压电机绝缘检测系统提出了更高的要求。

煤尘污染对电气元件电路板的

煤尘中往往含有导电物质，如金属颗粒、碳黑等。当这些导电物质沉积在电路板上时，会在相邻的导体之间形成导电通道，导致短路故障。短路故障会使电路板上的电流异常增大，损坏电路板上的元件，甚至引发火灾等严重后果。

2. 开路故障

煤尘的沉积还会影响电路板上导体之间的接触性能。当煤尘在导体间形成绝缘层时，会导致导体之间的接触不良或开路故障。开路故障会使电路板上的电路无法正常工作，影响设备的整体性能。

3. 散热性能下降

电气元件在工作过程中会产生大量的热量，需要通过散热装置将热量散发出去。然而，粉尘的沉积会堵塞散热装置的通风孔，影响散热效果。当电气元件的散热性能下降时，其工作温度会升高，进而缩短其使用寿命。

3.3.1 电子元器件筛选

在设计和制造设备时，应选用防尘性能好的材料。例如，可以使用表面光滑的导体材料，减少粉尘在导体表面的附着。高压电机绝缘智能检测系统设备中主要器件如高压真空继电器、干簧管、高压发生器、设备电源模块、MCU、AD 等全部选取工业等级的电子元器件。例如以下器件参：

1、高压真空继电器选用军工级的元器件，主要参数如下

表3-3-1 高压真空继电器电气参数

2、干簧管主要参数

表 3-3-2 干簧管电气参数

3.3.2 PCB 版设计

EMC 绝缘测试有介质强度（AC/DC，施加与回路与回路之间或回路与 GND 之间）、绝缘电阻（直流，施加于回路与回路之间或回路与GND 之间），以这两项测试为基准分析随空气密度下降，产品绝缘性能的影响。如图所示：

3-3 PCB 版 EMC、绝缘电阻测试示意图

蓝色虚线表示PCB 介质导电最短路径，红色虚线表示电弧爬电最短路径，对于设计定型的产品，由于其电气间隙已经固定，随空气压力的降低，其击穿电压也下降。空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低，通断能力下降和电寿命缩短。由此在设计高压电机绝缘检测系统设备的 PCB 时，通过查找表 1 电气间隙修正系数表重新算的最小间距，修正 PCB 线路排布，增加PCB 覆铜，以让电子元器件更好的散热，以让设备适应高原环境。

通过以上对电子元器件的筛选以及PCB 版的优化，在项目实施过程中未发现设备出现质量问题，达到了最初的设计初衷。3.3.3 PCB 抗腐蚀与防潮

电路板需采用三防漆（防潮/防霉/防盐雾）涂层，金属触点需镀金或镀镍处理。对于沿海高盐雾环境，需选用耐腐蚀材料（如镀层铜箔）并优化散热结构，防止盐雾加速元件老化。

本项目由选煤厂的分布特性采用分布式结构，集控中心设置系统检测主站，对沿线所有电动机进行生命周期监测，具备实时显示电动机状态、专家诊断、电机点检、检修管理等功能。克服了由于高煤尘的悬浮性、吸湿性、荷电性等特征，造成的容易引发电气设备短路和误动作、接触不良与设备故障、散热效率下降等现象；并取代传统的人工高压电机绝缘检测方法，提高了工作效率，避免频繁操作高压开关设备，降低对高压设备的机械损失。

参考文献

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