煤矿井下高压电缆终端接头局部放电在线监测与漏电选线保护实操指南

先看一本真实感很强的账。某千万吨级矿井，采区变电所到综采工作面移动变电站之间，敷设着 MYPTJ-8.7/10 3×70 屏蔽监视型橡套软电缆和 MYJV42-8.7/10 3×120 铠装电缆，全矿井下6kV/10kV高压电缆接头合计 186 个，其中终端头 74 个，中间接头 112 个。过去三年，这座矿因为电缆接头击穿造成的非计划停电共 11 次，每次平均停产 3.6 小时，其中 2 次发生在综采工作面割煤高峰，单次直接损失原煤约 1.1 万吨。

事后拆解那些烧坏的接头，现场电工班长老周的评价很直白：“没有一个是当天坏的，剥开来内部全是树枝状的炭化痕迹，早就放电放了很久。”这句话说出了井下高压接头的三条死穴：

1. 潮湿与淋水让界面“起雾”。 井下巷道相对湿度常年在 90% 以上，冷缩终端的应力锥与主绝缘界面只要有一圈 0.2 mm 的气隙或者水膜，电场就会在这里畸变，局放起始电压可以从 12 kV 掉到 7 kV 以下，而 10kV 系统的相电压就有 5.8 kV。
2. 半导电层剥切工艺全靠手感。 一线接头往往在狭窄的避让硐室里做，光线暗、手套湿，半导电层断口留下毛刺，或者主绝缘表面残留炭粉，投运后毛刺尖端的场强就是平均场强的几十倍。
3. 只靠定期停电做预防性试验，抓不到“间歇性缺陷”。 每年一次的 0.1Hz 超低频耐压或工频耐压，能发现已经成型的贯穿缺陷，却发现不了在湿度升高时才活跃的局放，试验那天缺陷恰好“睡着”，台账上写着合格，三个月后照样击穿。

再看漏电保护这一头。煤矿井下6kV/10kV高压电网大多是中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，单相接地电容电流随电缆长度增加。该矿采区电缆总长 24 km，实测单相接地电容电流 14.6 A，已经接近《煤矿安全规程》对井下高压电网单相接地电容电流不得超过 20A 的限值。发生单相接地时，传统的“零序电流幅值”漏电保护，常常在一条母线下的 5 回出线同时检测到零序电流，开关一起跳或者谁都不跳，这就是行业里说的“越级跳”和“拒动”。

局放在线监测盯的是故障的“前兆”，选择性漏电保护管的是故障的“后果”，两样必须串起来看。接头局放告警，意味着这条回路有人要提前上门处理；接地选线准确，意味着万一等不及发生了接地，只切掉这一个回路。这套思路与工作面巷道顶板的分级预警是同一条逻辑，想了解顶板离层如何做红黄蓝三级预警的读者，可以对照阅读煤矿采动巷道顶板离层与锚杆索应力动态在线监测及分级预警补强指南。

高压电缆在井下还有一个常被忽略的身份：它是瓦斯煤尘爆炸的潜在点火源。高瓦斯、突出矿井的电气设备防爆等级、通风参数与一通三防的对应要求，可以结合煤矿瓦斯等级鉴定与一通三防参数测定新国标实施指南一并核对。

局部放电的物理过程并不复杂：绝缘内部的气隙、杂质或界面上，局部电场超过了该处的击穿强度，就会出现一次微小的脉冲放电。每一次放电会同时送出三种信号：一个纳秒级的高频电流脉冲，一声超声波“滋滋”声，还有沿金属外壳泄漏出来的暂态地电压。三种信号衰减规律不同，互相印证，就能排除井下的电焊、变频器、皮带电机等干扰。

如图1所示，一个终端头位置通常布置四类传感器：

• HFCT高频电流互感器：钳在电缆屏蔽层接地线上，带宽 1~30 MHz，直接拾取放电脉冲电流，是定量测局放量（单位 pC）的主力。
• 超声波传感器：用磁吸或绑带贴在终端头应力锥外护套位置，中心频率 40 kHz，抗电磁干扰能力最强，用来判断“声音从哪个接头传出来”。
• TEV暂态地电压耦合器：贴在开关柜电缆室金属壁，对柜内终端放电敏感，用于区分电缆室内部放电与外部干扰。
• 零序电流互感器：套在三相电缆整体外面，同时给漏电保护装置提供零序电流，三个量共用一套本安分站。

监测分站选用 KJ1230 型本安型局放监测分站，每台带 8 路通道，轮询周期 2 秒；井下使用环网光纤把数据送到地面。传感器及分站均须取得防爆合格证和安标证，本安参数与关联设备核对一致才允许入井。

选线保护这一边，原理是看“方向”而不是只看“大小”。中性点不接地系统里，故障线路的零序电流相位，与非故障线路的零序电流相位相反，近似相差 180 度。把每回出线零序电流与母线零序电压的相位关系放在一起判断，哪一条出线的零序有功/无功分量方向与其他回路“反着来”，就是故障线路。这种判据不依赖于电流幅值，哪怕过渡电阻 3 kΩ、故障电流只有 1.2 A，选线也不会迷路。现场用的 PJG-300/10Y 高压隔爆真空配电装置，配套 WXH-821 型微机综合保护器，同时具备零序方向、零序过流与绝缘监视三个功能。

下表是监测传感器与保护装置的参数速查对账表，也是我们给矿里做配置清单时的底稿：

监测系统装上去不难，难的是阈值定多少。阈值定松了，缺陷漏报；定紧了，每天报警一百次，班组就会习惯性点“忽略”。这座矿从试运行开始就用了三个月时间，对 74 个终端头做了背景噪声标定，结论写在了下表。

如图2所示，现场标定背景噪声时，传感器装好后要先让设备在正常负荷下空跑 24 小时再取数。局放量的读数要注意一点：在井下现场，由于传感器与放电点之间有电缆屏蔽层衰减，HFCT 读数不等于视在放电量的真值，只用来做相对趋势判断。我们的做法是每个接头建一条“个体基线”，以投运后第 7 天到第 30 天稳定期的中位数作为基线，报警看的是相对基线的增量，而不是死抠绝对数字。

红色阈值并非拍脑袋定下的。该矿一个 10kV 冷缩终端头，从局放量首次越过 500 pC 到最后击穿，实际观察到的时间窗口是 9 天；有一个因为半导电层毛刺引起的缺陷，窗口只有 31 小时。8 小时处置时限，就是在这个统计下留出的余量。

选线保护的整定同样需要“对账”。该矿采区 10kV 母线下挂 5 回出线，实测各回路单相接地电容电流如下：

整定原则很朴素：零序电流动作值取本回路电容电流的 35% 左右，同时必须小于整个电网最小接地故障电流的一半，并高于背景不平衡电流的 2 倍。注意，方向判据在这个表里起的作用是“先看方向、再看大小”，只有方向指向线路且幅值超过整定值，才出口跳闸。这样 5 号回路那样的短线路，不会因为其他回路的接地电流倒灌而误动。

多回线路时，还要把母线上并联的消弧线圈或接地补偿装置计入。如果采用消弧线圈补偿，故障点残流会被压到 5 A 以下，零序电流幅值判据基本失效，此时必须依靠暂态零序方向（首半波）或有功分量判据才靠谱。对井下 6kV/10kV 电网来说，不少矿井并不具备消弧线圈条件，所以我们更推荐采用“电容电流控制 + 零序方向选线”的方案，把总电容电流稳定控制在 20A 以内。

与带式输送机这类长距离连续运输设备的联动，也是选线保护要考虑的场景。主煤流皮带头部驱动变频柜、永磁电机的供电回路出现接地，选线动作的时序必须与皮带保护逻辑配合，避免带载急停造成堆煤，这一点在煤矿主煤流带式输送机AI异物纵向撕裂监测与永磁变频智能调速指南中有详细的停机时序可供借鉴。

装备选型落到现场，最容易吃亏的是细节。冷缩终端头不是买来套上就行：一个 10kV 三芯冷缩终端，从剥切到收口要完成二十几道工序，分相头的应力管必须搭接半导电层 20 mm，绝缘管内壁要涂满硅脂，接线端子压接后要用挫刀去掉毛刺，再绕半导电带做过渡。工序记录要拍照留档，这是后期追溯缺陷的唯一凭证。

如图3所示，传感器的安装位置直接决定数据质量：HFCT 必须钳在接地线靠近终端头一侧，且接地线要从钳口中央穿过，不得与铠装钢带接地线绞在一起；超声探头必须贴紧应力锥外壁，中间涂一层耦合剂，否则灵敏度会掉一半以上。

当监测系统给出红色告警，或者保护装置出现单相接地跳闸，电工班和值班调度必须严格按照下面五步处置，不能凭经验“先送一次试试”。

• 第一步：核对告警来源并锁定回路
  值班调度员收到红色告警后，先确认三种信号（高频电流、超声、TEV）是否同时越限，同时查看当班有无电焊、变频器启停等干扰作业；确认属于真实缺陷后，立即通知采区变电所值班电工在 10 分钟内到达现场，并在调度台账上登记回路编号和告警时刻。严禁在没有确认回路编号的情况下盲目合闸试送。
• 第二步：倒负荷并停电闭锁
  按照调度命令，把该回路所带的移动变电站、局部通风机、排水泵等重要负荷倒至备用回路，确认后分断该回路高压开关，将开关手把打至“断开”位置并挂“有人工作、禁止合闸”警示牌；涉及双回路供电的局部通风机，必须先确认备用风机已切换运行、风量正常。
• 第三步：验电放电并测量绝缘
  电工必须使用与电压等级匹配的验电笔在电缆终端处逐相验电，确认无电后用接地棒对三相逐相放电并接地；放电完毕后用 5000 V 兆欧表测量相间及相对地绝缘电阻，合格线是不小于 1000 MΩ，同时记录吸收比，吸收比小于 1.3 说明绝缘已受潮。
• 第四步：开盖检查并定位缺陷
  在瓦斯浓度小于 0.5% 的条件下开启接线腔，目测检查终端头应力锥是否有爬电痕迹、表面是否有白色粉末、半导电层断口是否有炭化；若判定缺陷位于终端头本体，则整只更换，不允许在原冷缩管上缠绕绝缘带补救；若缺陷位于中间接头，则需要把接头连同两侧各 0.5 m 电缆一并割除，重做接头。
• 第五步：复测送电与复盘归档
  重做接头后，必须做 0.1 Hz 超低频耐压或工频交流耐压，耐压合格后方可送电；送电后连续 24 小时保持每 5 分钟采样一次，局放量应回落到基线 120% 以内才算过关；最后由技术科牵头编写缺陷分析单，写明接头型号、制作人、环境湿度、制作时间与缺陷类型，登记入全矿高压接头台账，作为班组考核依据。

为了验证阈值设置是否合理，该矿联合第三方高压实验室，做了一组缺陷模拟试验。选取同批次 MYJV42-8.7/10 3×120 电缆，制作了五种人为缺陷的 10kV 冷缩终端头，并在 8.7 kV 相电压下持续加压，同时同步监测高频电流、超声和温升。

如图4所示，试验室内在屏蔽室中完成，背景噪声压到小于 5 pC，所以曲线干净。五个缺陷样品的试验结果如下：

对账结论有三点：第一，局放量不是线性上升，缺陷越严重，增速越快；第二，终端表面受潮缺陷，局放量与湿度关系高度一致，说明在线监测必须同步记录环境湿度；第三，超声幅值升至 12 dB 以上的几个样品，在随后 7 天内全部击穿，这与我们设置的红色阈值互相印证。

现场也抓到过一个真实案例。该矿采区变电所 3 号回路的 10kV 终端头，在 8 月 14 日夜班出现了局放量缓慢上升：

电工开盖后发现，应力锥与主绝缘之间留有 0.4 mm 宽的气隙，是制作时没有把应力管完全展开所致。如果不是在线系统在 8 月 31 日触发红色告警，按照实验室的击穿时间推算，这个接头大概率会在 9 月上旬的某个夜班里击穿，而夜班恰好是采煤高峰。

改造的投入和产出，总工最关心的是账。该矿用了 14 个月，对 74 个终端头和 112 个中间接头中的关键部位上了在线监测，同时把 5 回采区出线的漏电保护升级为零序方向选线。

先看现场的决策会审，矿总工、机电副总、机电科长和高压试验班长围在会议室桌前，对照监测台账和停电记录逐条算账。

如图5所示，会审用的不是PPT，而是打印出来的月度台账和一张铺满桌面的采区高压供电系统图。改造前后的对比账如下：

投入方面，在线监测硬件（传感器、分站、光纤环网、软件平台）合计约 168 万元，选线保护器升级约 46 万元，总投入 214 万元。按保住原煤 4 万吨、少停电 4 天、节省人工等折算的综合收益，年度约 380 万元，回收期不到 7 个月。当然，这个账里没有把一次真正的电缆着火事故避免带来的价值算进去，那类事故的损失，往往不是钱能衡量的。

为了消除高压电缆接头“隐形局放没人看、单相接地选线靠运气、接头制作质量没有追溯”三个盲区，建议总工程师和机电科立即落实以下三项行动：