金鑫

（上海煤科检测技术有限公司 上海市 201400）

1 前言

采煤机光电复合缆兼有电气传输单元和光纤传输单元，用于智能采煤机系统供电和智能控制。采煤机光电复合缆的基本特点是具备结构紧凑、兼具电能输送和光电控制信号传输控制功能。随着国家发改委、工信部、国家能源局等部委颁布的《中国制造2025-能源装备实施方案》、《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年）》等能源行业规划的逐步落实，国家提倡的煤炭智能绿色开采技术、隐蔽致灾因素智能探测、重大灾害监控预警、深部矿井灾害防治、重大事故应急救援装备等领域都将对光电复合缆及其终端衍生产品有大量的应用需求，因为采煤机光电复合缆复合传输的优异性能以及多样化的应用终端，光电复合传输技术在智能绿色开采和远程大数据通信方面的优势愈加明显，目前国内外光电复合缆的传输性能检测技术研究主要有光电复合海底电缆、电力系统光电复合缆等在线检测以及固定敷设状态下的传输性能检测，此类产品使用的检测技术主要包括采煤机电缆机械、电气性能检测方法、光纤传输检测方法，已有的检测系统和方法在检测采煤机光电复合缆时并不能真实反映线缆在采煤工作状态下的性能优劣，缺少采煤机复合缆敷设环境和复合传输相关检测技术，本项目设计和研制采煤机光电复合缆动态机械特性与传输特性相关性的检测平台，以满足动态模拟智能综采工作面的采煤机光电复合缆所受机械应力及光电复合传输安全性、耐久性的检测需求。

2 设计原理和目标

光电复合传输技术最先用于海缆，目前智能电网、远距离通信、自动化控制等多领域广泛应用，国内近年来越来越多的用于智能电网和现代通讯系统，但相关标准都只涉及固定敷设的光电复合缆，生产工艺和使用工况与采煤机光电复合缆存在很大区别，采煤机光电复合缆运行环境高温高湿、反复弯曲、拖曳，同时大电流的光电复合缆其电流温度特性对光电控制信号传输都有较大的安全影响，现有的检测方法和检测设备难以有效和全面测试，平台需要以实际应用环境为基础，通过科学检测方法创新设计具备以下检测能力：

2.1 针对煤矿安全性需求的采煤机光电复合缆材料安全性检测能力

采煤机光电复合缆应用于易燃易爆和高机械损伤的复杂环境，其工艺结构、加强件、护套等材料起着对内部光纤和导体的保护作用，应当在火灾、重物冲击、机械碾压等事故状态下也能具备一定的保护能力，在事故发生时应有一定时间的工作能力为应急救援提供缓冲时间，并且要求在发生灾害性事故时煤矿用光电复合缆不应导致二次危害。平台利用光电复合缆工艺学、材料学方法分析煤矿用光电复合缆基本结构、材料的安全性特性。

2.2 针对采煤机光电复合缆动态敷设下的电气和光信号传输稳定性检测能力

采煤机光电复合缆敷设环境及状态与地面不同，井下光电缆在高温高湿环境及狭窄空间运动状态下敷设，可靠性受到外界应力和环境因素的影响，例如小半径弯曲、反复交变张力下拖曳、持续高温高湿等极端因素，项目研究矿井环境下持续拖曳曲绕和拖链式弯曲状态，复合缆持续承受复杂的机械拉伸、曲绕、扭转等多种应力工况，在模拟周期性拖曳曲绕和链式弯曲工况条件下，定量分析采煤机光电复合缆在复杂工况下的动态衰减、应变、抗干扰能力和电气安全性，电气和光信号同步传输稳定性检测能力。

2.3 针对采煤机光电复合缆高危应用环境的事故模拟能力

煤矿生产常见重物冲击、挤压、电流过载、燃烧等事故形态，利用测试系统模拟事故发生条件，验证采煤机光电复合缆在事故状态下的持续工作能力和安全特性，检测事故条件下采煤机光电复合缆进行光电复合传输的极限，分析采煤机光电复合缆在煤矿井下安全保障和应急救援中的作用和水平。

3 关键性检测技术

采煤机光电复合缆用于煤矿井下智能工作面的采煤机供电和测控信号传输，常规类型为额定电压0.38/0.66kV～1.9/3.3kV，结构通常为动力线芯、地线芯、控制线芯、光纤以及绝缘、屏蔽、填充、护套等组成。主功能为动力线芯和地线芯构成动力回路，为采煤机的牵引、摇臂、旋转截齿供电，控制线芯和光纤线组通过传输电信号和光信号进行远程测控，并适时反馈采煤机、线缆运行状态，附加智能功能包括视频传输、瓦斯、粉尘溶度、环境温湿度信息反馈。因为采煤机光电复合缆多线性复杂结构、敷设环境危害性因素多重影响，控制功能智能化和高可靠性要求，对上述性能检测需要也更高，主要体现以下几个方面：

3.1 采煤机光电复合缆动态机械性能检测

采煤机光电复合缆在运动和机械应力影响下造成线缆变形，变形状态下的信号传输由于光纤内波导各个不同部分的折射率变异引起波速的差异因而产生光脉冲展宽或失真，影响数据传输的准确性，平台应能模拟线缆拉伸、拖曳、曲绕、挤压、冲击等动作状态下分析应变、色散对数据传输的影响，利用光纤应变和色散原理检测采煤机光电复合缆数据传输可靠性，研究采煤机线缆拖曳曲绕和挤压冲击等模拟工作状态下的信号损耗、故障定位方法和配套检测设备。

技术指标：

A.系统具备模拟线缆拉伸、拖曳、曲绕、挤压、冲击等动作，拉力：50kN，弯曲半径150mm～250mm；

B. 色散不确定性：1.5%；零色散波长不确定性：0.2nm；色散斜率不确定性：1.5%；色散重复性典型值（ps/nm·km）：0.001-0.002；

C.信息分析模块与机械模拟系统同步连接和数据共享。

3.2 采煤机光电复合缆光纤传输特性检测

采煤机光电复合缆结构复杂，动力线芯、控制线芯、光纤单元同步传输电源动力、控制信号和光信号，光纤结构参数影响传输特性质量，项目研究各线芯传输的数据变化和相互作用，分析线芯结构、包层直径、截止波长、模场直径等光纤参数对采煤机线缆光电复合传输的影响。采煤机光电复合缆敷设环境分为露天和井工不同环境，环境温度、湿度对传输的影响需要通过环境模拟系统来仿真，平台应具备高低温和湿度模拟功能。

技术指标：

A:具备测量采煤机线缆光纤光谱损耗、截止波长、模场直径等参数测量能力，波长范围：1100 ～1650 nm，波长1310nm/1550nm 的重复性测试精度≤ 0.01 dB RMS。

B:自动测量光纤结构，对影响采煤机线缆弯曲特性的光纤几何参数芯径、包层直径、芯包不圆度、芯包同心度等可进行重复精确测量。其中芯径单模＜0.05 μm，多模＜ 0.08 μm；包层直径单模＜ 0.05 μm，多模＜ 0.05 μm

C:环境模拟满足自动周期性模拟-70℃～+90℃的环境温度和30%RH～95%RH 湿度变化，不小于10m的试验空间。

3.3 大电流采煤机光电复合缆电气传输特性检测。

应用于大电流载荷的采煤机光电复合缆在高温高湿环境及狭窄空间反复弯转运行，产生温度和放电效应，分析验证温度和放电效应对采煤机线缆电气和光纤数据传输的影响，模拟过载大电流产生的高温、冲击电压等综合电气环境，检测采煤机线缆电气和光信号数据传输的稳定性。

技术指标：

A:最大试验电流：3000A；调压器容量：30kVA

B:系统测量电荷灵敏度＜0.1pC；步长4dB；可调节输入衰减0～96dB；

C:温度循环自动程序化控制，温度测量精度±1.5%。

4 系统组成和设计

为实现系统功能，采用模块化设计，分布式网络化布局，如图1 所示，包含结构参数检测模块、机械特性模拟模块、电气特性模拟模块、环境特性模拟模块、传输特性检测系统。各检测系统和机械特性模拟模块均可独立控制，也可以上位计算机统一对各系统进行远程信息采集和集中控制，其中机械特性模拟模块可与电气特性检测系统、传输特性检测系统并行联动测试。

图1： 系统原理

4.1 结构参数检测模块

采煤机光电复合缆结构复杂，动力线芯、控制线芯、光纤单元同步传输电源动力、控制信号和光信号，光纤几何参数影响传输特性质量，结构参数检测系统针对线芯结构、包层直径、截止波长、模场直径等光纤参数测量分析。系统由绝缘护套尺寸影像测量仪、光纤几何参数测量仪组成。其中影像测量仪采用LED 光源，1000 万像素光学数码拍摄，运用自动图像识别技术，程序化自动分析绝缘和导体结构尺寸；光纤几何参数测量仪采用近场光分布法测试复合缆光纤纤芯参数，如图2 所示，测试仪由光纤位置调节机构、光纤成像系统、自动控制系统、图像采集系统、数据处理系统等组成。

图2： 光纤几何参数测量仪

4.2 机械特性模拟模块

机械特性模块用来检测采煤机光电复合缆机械性能，配备模拟煤矿机械应力的拖曳曲绕、拉伸、冲击、扭转、挤压系统、模拟复合缆被采煤机电缆夹板拖曳弯曲运动的的S 型弯曲系统和模拟卷筒收放的拖曳曲绕系统，具备复合缆综合机械耐久性检测功能。其中拖曳曲绕机系统结构如图3 所示，采用多层曲绕半径的塔轮模拟绞线盘，曲绕半径150mm～700m，线芯规格10mm～300mm。拖曳轮带动钢丝绳拉动复合缆试样双向曲绕，并往返拖曳复合缆缆由平直状态到“U”形状态，采用PLC 控制系统，50kN 液压张紧装置，张力精度±5N，模拟采煤机电缆拖曳收放状态，给电缆施加可控的收放张紧力，按拖曳电缆工作半径设定曲绕半径，一定次数的拖曳曲绕运动，配合电气特性系统和传输特性检测系统测量电路通断和短路状况以及光纤应变和色散。

图3： 拖曳曲绕机系统结构

4.3 电气特性模拟模块

电气特性模块用来模拟采煤机光电复合缆导电、绝缘、屏蔽、耐压、电磁兼容等综合电气特性，配合机械特性模块同步进行动态电气特性检测要求。模块集成大电流加载系统、冲击电压系统、高阻计、直流电桥、耐压仪、屏蔽系数测试系统，可实现3000A 电流加载和100kV 的冲击电压模拟，实时分析复合缆电流过载、冲击电压等故障状态下的电气特性，检测复合缆各组件的导电、绝缘、屏蔽性能以及电气耐久性能。其中大电流加载系统由30kVA 感应式调压器组、3000A/10V 大电流发生器组、90kvar 低压补偿电容器组以及循环控制系统组成，可满足大电流周期性自动加载，线缆温升控制。模块通过模拟线缆过载电流和温度状态，分析采煤机光电复合缆在长期过载条件的电阻、绝缘和温升电气特性。

4.4 环境特性模拟模块

环境特性模块模拟采煤机光电复合缆高温高湿环境以及露天采煤低温环境，采用步进式高低温交变湿热试验系统，包含空间2200m×2200m×2200m 试验箱、升降温系统、加湿系统、温湿度程序控制器、气流循环系统。满足整盘长度复合缆测试空间，温度控制范围：-70℃～+90℃， 湿度控制范围：30%RH～95%RH ，温度波动度：≤±0.5℃ ，湿度波动度：≤±3%RH。环境特性模拟模块程序化模拟高低温湿度交变环境，可满足高纬度低温地面环境和井下湿热环境的模拟，同时大空间满足整盘光电复合缆的步入式测试，配合电气和传输特性检测模块可以在高低温湿热环境下对复合缆电气和光纤传输性能进行环境相关性分析。其中阻燃试验模块可以模拟大电流过载导致光电复合缆导体温升工作温度205℃下，甲烷火焰燃烧，试验电流最高3000A，测试光电复合缆短路过载环境下的阻燃特性。

3.5 传输特性检测系统

传输特性检测单元需要满足复合线芯工作状态的传输特性检测，通过传输特性检测模块对复合缆动态功率、色散、控制信号进行综合分析。系统分别设计光信号检测模块和电信号检测模块,其中光信号检测模块包含光时域反射仪、色散分析仪、应变测试仪、光纤传输参数测试仪，电信号检测模块集成矢量网络分析仪和LCR 测试仪等，通过程序化交互系统自动组合，能满足多种模式的复合传输特性检测。其中光纤传输参数测试仪利用机器视觉技术配合稳定的光学系统，CCD 成像进行光纤端面位置检测，采用步进控制技术可实现对光纤注入端端面和光纤测试端端面进行自动调整配对，利用数字锁相技术，对微弱信号进行锁相放大，提高动态范围和信号的响应时间，提高了测试速度，采用远场可变孔径法，自动分析模场直径的影响，并对截止波长、模宏弯损耗等参数进行综合分析。系统采用锁相放大器对微弱信号进行放大，通过控制器控制单色仪控制注入光源的波长，采用微分相移法，应用1310nm 和1550nm 二个LED 光源，通过固态单色仪进行波长调制，在连续两个波长下测量光纤中信号的时延差，对色散数据进行拟合，综合分析色散性能。系统集成的光时域反射仪通过后向散射法测量光信号衰减特性。矢量网络分析仪和LCR 测试仪高低配合，对电信号衰减、串音进行精确测量，系统可满足50Hz～3GHz 高低频数字信号传输特性的分析测试。

5 系统通信与控制

计算机通过多个接口卡来与各模拟模块以及检测系统相连接，各测试设备之间相对独立，具有自己的PLC 控制器和控制软件系统，独立控制时，控制器对模拟模块的控制和数据采集采用RS-232 接口通讯，同时传输特性检测系统通过TCP/IP 协议与机械特性模拟模块、环境特性模拟模块进行通信，实现远程控制、检测数据远程传输。

6 平台功能实现

按照设计要求，建成的采煤机光电复合缆安全传输性能检测平台实现了以下功能：

（1）满足光电复合缆拖曳曲绕、拉伸、冲击、挤压的机械应力状态模拟平台，实现机械应力影响下复合缆的应变、损耗、色散同步检测。模拟平台实现最大拉伸载荷50kN，能自动绘制应变、色散曲线。

（2）平台具备全自动分析采煤机光电复合缆线芯结构参数和光纤几何参数，对光纤波长1100 ～1650 nm 范围传输的数据变化和相互作用，分析线芯结构、包层直径、截止波长、模场直径等光纤参数的能力。

（3）平台具备大电流模拟加载，最大试验电流：3000A；系统容量30kVA，检测温度和放电效应对复合缆电气和光纤数据传输的影响，模拟过载大电流产生的高温、冲击电压等综合电气环境，检测电气和光信号数据传输的稳定性。

（4）平台数字化比较分析矿用装备光电复合缆光电传输特性、机械应力应变，电气特性多元关系，综合模拟智能综采工作面的环境和复合缆运行状态，满足采煤机光电复合传输安全性和可靠性的综合检测能力。

7 应用与展望

采煤机光电复合缆安全传输性能检测平台建成并在上海矿用设备检测中心进行验证和数据比对测试，总体性能达到设计要求，不仅各单项传输性能指标满足现行国家标准规定的采煤机电缆和光纤传输特性测试方法要求，在煤矿用线缆动态敷设仿真以及光电复合传输特性检测等方面实现了突破和创新，提升了检测检验能力。通过推广和成果转化，试验平台将在多方面发挥重大作用。

（1）国家对矿用装备线缆产品实行安全准入，采煤机光电复合缆安全传输性能检测系统能对矿用装备线缆的光电复合传输性能进行电气和光信号复合传输的安全性进行分析验证，满足此类产品安全分析验证能力与生产技术的同步发展。系统也可为质量监督部门和煤矿用户提供矿用装备线缆在光电传输性能方面的质量评价和性能分析。

（2）采煤机光电复合缆还没有统一的国家和行业标准，相关标准化工作需要大量检测和试验数据作为支撑。由于采煤机光电复合缆敷设环境和动态传输的特殊性，需要采煤机光电复合缆具备符合环境敷设要求和可靠性能，矿用装备线缆光电复合传输检测系统综合分析矿用装备光电复合缆在复杂敷设环境以及拖曳曲绕状态的传输特性，对产品标准化提供相应的测试数据和验证方法。

（3）系统对采煤机光电复合缆的研发和性能分析提供实验验证手段。帮助企业进行产品的研发和品质升级，推动矿用装备线缆产业的良性健康发展，为煤矿的绿色智能化开采提供高品质、高安全性产品发挥重要作用。采煤机光电复合缆在给综采设备提供动力电源的同时，又具备光信号传输和自测控能力，大范围移动过程中同步电气传输和测控光信号传输，实现智能化动力和测控功能，丰富了矿井智能化开采和测控手段，提升矿井开采技术的绿色化和智能水平。