基于红外非接触缆式线型的煤矿高压电缆温度监测技术_付文俊.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 基于红外非接触缆式线型的煤矿高压电缆 温度监测技术 付文俊 （北京中煤矿山工程有限公司， 北京 100013） 摘要 分析了井下电缆火灾发生的主要原因和现有电缆火灾监测技术方法， 提出了基于红外 非接触缆式线型煤矿高压电缆温度监测技术， 阐述了红外非接触缆式线型电缆温度监测技术的 工作原理， 明确了该技术的特点， 该项技术在神华新疆能源有限公司应用取得了良好的效果。 关键词 煤矿供电； 井下电缆； 电缆温度监测； 红外测温； 非接触监测 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0106-03 Temperature Monitoring Technology of Coal Mine High Voltage Cable Based on Infrared Non-contact Cable Type FU Wenjun （Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Beijing 100013, China） Abstract This paper analyzes the main causes of underground cable fire and the existing cable fire monitoring technology, puts forward the temperature monitoring technology based on the infrared non-contact type high-voltage cable in coal mines, expounds the working principle of the temperature monitoring technology for the infrared non -contact type cable, and clarifies the characteristics of the technology. The technology has achieved good results in the application of Shenhua Xinjiang Energy Co., Ltd. Key words coal mine power supply; underground cable; cable temperature monitoring; infrared temperature measurement; non- contact monitoring 近些年来电缆在井下的火灾事故越来越频繁和 严重化，不仅影响井下煤炭资源正常的开采，而且 也严重威胁到人们生命财产安全。据事故调查不完 全的统计，从 2007 年末到 2014 年这 7 年时间中， 全国煤炭开采中共发生由于电缆原因造成的事故 10 余起， 惨剧的发生造成伤亡人数多达百余人[1]。 煤 矿用电缆火灾事故的特点是火势凶猛、燃烧迅速、 烟气危害大，燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化 碳、氯化氢等有毒有害气体，由于煤矿井下空间狭 小， 造成扑救困难， 人员中毒窒息， 损失严重[2]。井下 环境复杂多变， 低温、 潮湿， 粉尘， 噪音， 瓦斯浓度过 高， 监测难度大等都是造成电缆事故的重要因素[3]。 因此，研究煤矿高压电缆火灾监测技术方法，实时 监测高压电缆的工作温度，减少由于电缆过热引起 的火灾事故具有重要意义。 1井下电缆火灾的起因 由于井下自然条件恶劣, 电缆火灾的发生不仅 有其自身因素, 在很大程度上还受到外界因素的影 响, 其主要原因有 1） 电缆的性能使用不当， 不严格执行规定， 使用 没有通过国家矿用安全标志认证的电缆，甚至持续 使用非阻燃电缆，这是井下电缆火灾发生的原因之 一， 给矿井安全生产带来严重威胁。 2） 由于井下特殊环境造成的电缆绝缘损坏。如 老化、 高温、 受潮、 油污等原因， 使电缆绝缘老化加 剧， 电缆绝缘严重受损， 性能降低。造成电缆在运行 中短路或局部放电并导致闪络，引燃电缆导致火灾 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.021 付文俊.基于红外非接触缆式线型的煤矿高压电缆温度监测技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 106-108， 112. FU Wenjun. Temperature Monitoring Technology of Coal Mine High Voltage Cable Based on Infrared Non- contact Cable Type ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 106-108, 112. 移动扫码阅读 设计 开发 106 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 发生。 3） 电缆损伤。如电缆受外力作用挤压损伤、 机 械刮伤、 坠物砸伤、 纵向拉伤等， 也可导致因漏电、 短路、 断线接地等故障而引发的火灾。 4） 外部火源引燃。如井下煤体自燃、 电焊等明 火作业、 局部火情引燃电缆等。 5） 违规作业因素。追求利润， 以劣充优、 载荷不 匹配、 使用不合格电缆， 电缆敷设、 接线不规范， 人 员违规作业导致电缆短路或产生超负荷运行，致使 电缆快速升温发生火灾。 综上所述， 导致井下电缆火灾的原因很多， 电缆 内因火灾均不是突发事件，而是一个由内及外、 由 “电” 到 “温” 、 由 “温” 到 “烟” 、 由 “烟” 到 “火” 的渐进 过程。通过对电力电缆内因火灾早期特征的分析可 以看出，电缆内因火灾的根本原因还是在于电气故 障导致温升，只要能够及时准确地判断出温度异常 位置，找到电气故障并切断电源，电缆就不会发生 内因火灾。所以及时监测电缆异常发热， 及时处理， 将火灾消灭在萌芽状态，是到减少电缆火灾发生的 最行之有效的办法。 2电缆火灾监测方法 目前常用的电缆火灾监测方法有感温电缆监测 法、 光纤光栅测温法和接触式电信号测温法[4]。 1） 电缆式感温监测方法。该方法的优点是结构 简单， 投资少、 可防爆、 可集中监控， 适用于接触性 安装。该方法的主要缺点是系统安装维护难度大； 感温电缆与被测电缆相伴铺设，环境温度影响大； 无法精确定位故障具体位置，不适用电缆内因火灾 监测[5]。 2） 光纤光栅感温火灾探测方法。光纤光栅传感 器监测方法， 成本低、 质量轻、 体积小， 适用于爆炸 性、 腐蚀、 电磁干扰环境， 可用于大范围高分辨率的 测量，适合在较恶劣环境下工作。该方法的缺点是 测温光缆需要与被测电缆接触铺设，光纤易折断、 不耐高温等[6]。 3） 接触式热敏电阻监测方法。该方法的优点是 布置方便、 造价低， 直接显示温度值， 适合信号远距 离传输，因此热敏电阻作为测温元件在航空领域具 有广泛的应用[7]。该方法的缺点是布线复杂、 容易损 坏， 校验频繁。 3红外非接触缆式线型感温监测技术 红外非接触缆式线型感温监测技术是感温电缆 与红外测温 2 种检测方式组合而成的电缆温度监测 方法。 3.1红外非接触缆式线型感温监测原理 红外线是一种电磁波，任何物体只要温度高于 绝对温度 （-273 ℃） 都能辐射红外线， 因此红外线是 直接与物体温度有关的电磁波[8]。红外温度探测具 备探测红外线波长的功能，是根据红外辐射能量随 被测量物体温度的变化这一原理而设计的，它可以 非接触快速获取被测物体温度，而不受高压强电场 的影响，可靠性高，可避免因周围环境因素而引起 的误动作。红外温度探测可用于煤矿等爆燃场所的 多条电缆的集中监测。 感温电缆分为数字型和模拟型[9]， 线型感温电 缆由 3 根分别挤塑热敏绝缘材料的导线绞合而成 （其中 1 根起到增加机械强度作用） ，能够对沿着其 安装长度范围内任意一点的温度变化进行探测。在 正常状态下， 探测回路的电阻值达千兆欧级， 探测回 路仅通过微弱电流。当温度上升至 57～98 ℃之间或 报警温度在 57～160 ℃之间时， 探测回路的电阻值能 明显下降至几百兆欧甚至几十兆欧，这时微机控制 器对其电阻值的变化进行适时监测、 处理、 运算、 分 析，对照不同环境下的火灾模型，输出火灾预警或 火灾报警信号。当感温电缆发生断路时，探测回路 的电流为 0。当感温电缆由于外界非预期因素导致 短路时， 探测回路的电阻值会突然下降， 变化趋势很 快。 根据以上 2 种情况， 可判别断路与短路故障[10]。 感 温电缆微机控制器前端的输入信号, 是由模拟式线 型感温电缆所产生的连接变化着的电阻值模拟量/ 类比量； 而其后端的输出信号已经是一个可以被任 何标准火灾自动报警装置所能识别的数字信号。感 温电缆是一类可以用于环境比较恶劣区域的火灾监 测方式。 3.2红外非接触缆式线型感温监测系统 红外非接触缆式感温监测系统由矿用隔爆型电 缆温度监控分站、红外非接触感温线缆、声光报警 器、 通信电缆、 监控主机和监控平台软件等组成， 监 控网络结构如图 1。可实现对不同位置多条电缆温 度监测，可实时显示关键节点温度值，可查询历史 温度、温度趋势和温度报警记录，可与自动灭火装 置联动实现自动灭火。 红外非接触缆式感温火灾探测器的感温线缆采 用红外探头与感温电缆相复合的设计方式，结合了 感温电缆和红外温度探测的优点，红外探测探头可 置于电缆接头等重点监测位置， 实现精准监测， 其它 107 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2电缆温度监测分站原理图 Fig.2Schematic diagram of cable temperature monitoring substation 图 1电缆温度监控网络结构 Fig.1The structure of cable temperature monitoring network 位置可由感温电缆监测，以实现区域监测全覆盖。 线缆中的传感元件通过接收热源辐射，可不接触被 监测对象的表面， 实现非接触温度监测。 电缆温度监控分站原理如图 2，采用矿用隔爆 型设计， 交流 127 V 供电。 内部电源模块将 127 V 交 流电转成直流电源提供给微处理器，微处理器 1 接 收感温电缆信号，经程序处理可在显示屏、指示灯 上显示温度状态，也可上传至监控主机。红外传感 器采集的温度信号经放大、 滤波和高速 AD 转换， 由 微处理器 2 负责处理，温度值可在液晶显示屏上实 时显示， 如符合报警条件可输出报警， 可通过 CAN 总线与监控主机实时通信。 当被监测电缆发生燃烧或者温度异常时，传感 元件将探测到的温度变化信息传至电缆温度监控分 站， 电缆温度监控分站将温度信息通过 CAN 总线上 传至监控主机电缆温度监控平台，可实现差温、 定 温复合报警。电缆温度监控分站可控制声光报警器 进行现场就地报警。也可与灭火装置联动，感温元 件中红外探头和感温电缆同时输出火警信息后， 可 启动自动灭火装置灭火。 3.3红外非接触缆式线型感温监测的特点 1） 非接触探测、 灵敏度高。可远距离探测被保 护对象温度， 铺设灵活。集成 2 种探测技术优点， 克 服了单一探测技术的缺陷， 灵敏度高。 2） 探测温度范围宽、 精确度高。探测器测温范 围是-10～200 ℃， 测量精度分别为 低于 100 ℃不大 于1 ℃， 高于 100 ℃不大于3 ℃。 3 ） 针对性强。可有针对性布置于电缆接头、 大功 率电气设备等发热敏感部位，开展差别化监控。在 保障供电安全的前提下， 有效节省不必要的投资。 4） 环境适应性强， 适合于煤矿井下环境。密封 防水、 耐较高温度， 可在高湿、 高热和高粉尘环境应 用。塑料防护外套可承受近万伏的冲击电压[11]， 正 常监视和报警工作电流均在几十毫安以下，可确保 井下使用安全。 5） 可同时监测多条电缆。可根据实际需要布置 于电缆桥架上方， 覆盖桥架全部电缆， 实现多条电缆 同时监测，克服了与被测电缆接触监测方式的局限 性， 同时可节约投资成本。 6） 准确定位热源。由于红外传感器具备地址编 辑功能， 根据这一功能可确定温度异常位置， 可及时 找到故障点， 消除故障， 避免引发次生灾害。 4结语 分析了井下电缆火灾发生的主要原因和现有电 缆火灾监测技术方法，提出了基于红外非接触缆式 线型煤矿高压电缆温度监测技术。红外非接触缆式 感温监测系统集感温光缆监测、 红外监测的优点， 克 服了传统单一监测方式存在的监测环境适应性差、 精度低、定位困难的缺点。神华新疆能源有限公司 碱沟煤矿变电站，是电气设备和电缆集中区域， 特 别有些区域人员难以达到，日常巡检很难做到全覆 盖，只能在大修期间全面维护。红外非接触缆式线 型感温监测装置投入使用以来，可以实现重点区 域、 关键设备、 人员难以到达区域电缆温度监测全覆 盖，能够准确监测电缆温度变化情况，做到及时预 警， 有效减少了由于电缆异常升温引起的火灾事故， 能够及时发现隐患， 排除故障。 参考文献 ［1］ 卢建.煤矿用电缆火灾致因及其防范 ［J］ .煤矿安全， （下转第 112 页） 108 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 2016 （5） 248-250. ［2］ 何周平.电缆着火原因及防火措施 ［J］ .石油化工安全 技术， 2007 （1） 9-10. ［3］ 高云鹏， 谭甜源， 刘开培.电力电缆温度监测方法的探 讨 ［J］ .绝缘材料， 2014， 47 （6） 13-22. ［4］ 刘云红.光纤光栅传感器技术及其应用 ［J］ .传感器世 界， 2005 （3） 20-23. ［5］ 李波， 袁鑫铭， 薄春波， 等.非接触缆式线型感温火灾 探测器在火电厂应用探讨 ［J］ .机电安全， 2019 （9） 9. ［6］ 朱军， 范典.光纤光栅隧道火灾探测器的设计研究 ［J］ . 武汉理工大学学报， 2007 （4） 107-109． ［7］ 郑晓文， 郑红.工作电流对热敏电阻测温的影响 ［J］ .宇 航计测技术， 2001 （4） 44-52. ［8］ 陈洪权.基于线型感温火灾探测器的电缆隧道火灾实 验 ［J］ .铁道车辆， 1979 （6） 18-22. ［9］ 张杨， 陈启军．常用隧道火灾探测器原理、 应用及研究 动态 ［J］ .地下空间与工程学报， 2006 （2） 311-314． ［10］ 卢纪东. 可恢复式缆式线型感温火灾探测器的工作 原理与工程应用 ［J］ .电机电信息， 2012 （36） 46-47. ［11］ 王琦.缆式线型感温火灾探测器在核电厂的应用 ［J］ . 电力安全技术， 2016 （6） 31-35. 作者简介 付文俊 （1970） ， 黑龙江哈尔滨人， 研究员， 博士， 2010 年毕业于辽宁工程大学， 中国矿业大学 （北京） 博士后出站，从事煤矿安全智能化产品的开发和工程设计 工作。 （收稿日期 2020-05-22； 责任编辑 李力欣） （上接第 108 页） 性能的 CFD 模拟分析 ［J］ .中国农机化学报， 2015， 36 （4） 148-153. ［3］ 张文俊， 武明亮， 郭丽潇， 等.超声雾化频率与雾化粒 径关系的实验研究 ［J］ .压电与声光， 2013， 35 （6） 886-888. ［4］ 李波， 张晓东.超声波雾化装置在单缸柴油机上应用 的研究 ［J］ .中国农机化学报， 2015， 36 （2） 211-214. ［5］ 王晓翠.不同进口压力下柴油机非对称喷嘴内部流动 特性的数值分析 ［J］ .液压与气动， 2019 （5） 104-108. ［6］ G J Sreejith, Narayanan S, Jothi T J S, et al. 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