辽宁工程技术大学鄂尔多斯研究院立足鄂尔多斯市产业发展需求，设立校地科技合作培育项目，重点服务于能源领域，与鄂尔多斯市企事业单位共同提出研究题目。项目聚焦能源绿色开发、安全高效智能开采、资源价值利用等关键技术难题，通过定向对接企业需求，组建科研创新团队，开展产学研协同攻关，助力企业突破技术瓶颈，推动鄂市能源产业技术升级与创新发展，实现“校-院-地”优势互补、合作共赢目标。
本成果来自于2023年度校地科技合作培育项目《煤矿高压电缆故障定位及寿命预测关键技术研究》。
一、项目背景
随着煤矿智能化不断推进，电缆作为矿山供电系统传输配电的重要工具，若其发生故障后不能及时排除，严重时可能引起瓦斯、煤尘爆炸等恶劣的安全事故。目前，传统电缆故障检测方法主要集中于局部放电检测、整体光纤测温及电缆切片数据分析等方面，此类方法存在资产投入成本高、依赖人工经验判断、故障后被动排查等缺陷，难以满足智能化矿井、能源互联网的发展要求。因此，如何快速准确诊断电缆故障状态，预测电缆剩余寿命周期和实现智能化巡检等，是目前煤矿亟待解决的关键科学问题。
目前已发表核心期刊论文3篇、学术会议论文4篇，申报发明专利2项，以项目前期研究为基础课题组成员相继获批省级项目3项。
其中，申请专利《一种XLPE电缆接头在线故障监测设备》在线监测设备经济效应显著，单套设备小规模制作总成本即可控制在300元以内。设备电压平均误差0.068%，表面温度平均误差0.092%，观测结果可靠，设备能够精准胜任电缆接头的检测任务。
图1 检测设备PCB设计图
注：图示蓝绿色部分为GND网络，黄色部分为主要的VCC网络。
①UPS；②外部电源接口；③DC-DC 5V；④电源指示灯；⑤DC-DC 3.3V；⑥人机交互按钮；⑦单片机主控。
图2 检测设备实物图
组网安装方法如下：当电缆接头二与接头三之间发生断路故障时，接头二监测设备电压保持正常，电流出现轻微下降；而接头三处的电压与电流数值近乎归零。至此基本可以将断路故障锁定在接头二与接头三之间。
图3 监测设备组网故障诊断示意图
图4 XLPE 电缆接头在线监测故障诊断实验平台
为了获取更多的无法在现有平台复现的无对流系数影响、高电流和故障状态的数据，使用Solidworks热力学部分建立热力学模型。给电缆模型赋予材料性质，并给黄铜部分添加热源，表面增加自然对流。优化完各类系数后，模型结果有了不错的仿真效果温度误差保证在2%以内。
图5 XLPE电缆接头运行温度仿真图
三、工程应用
本项目成果可推广至鄂尔多斯市煤炭、国网等相关企事业单位中需采用电力电缆供配电系统，可对电力电缆的多参数进行实时在线智能化监测，可实现故障诊断与故障点快速精确定位，并对电力电缆进行剩余寿命预测，实现电缆智能化运检，从而降低电缆事故出现的可能性，以便有效保障电力系统良好运行。同时提出科学合理的评价方法，及时有效预测电缆的剩余使用寿命，做到提前预测发现故障隐患，采取有效措施，避免造成更大事故和损失，保证电力系统供电的可靠性、稳定性、智能性。同时随着我国智慧矿山和国家智能电网智能化的快速发展，其应用前景也十分广阔。
图6煤矿供电系统测试及检测
四、行业影响
自行研制的电缆检测设备围绕 XLPE 电缆接头在线监测及故障诊断展开研究，通过等值热路法分析、实验验证与仿真测试，构建了完整的技术方案，取得以下成果：
（1）低成本在线监测设备研发：监测设备单套成本控制在300元以内，在2.5平方毫米XLPE电缆接头检测中具有高稳定性：电压检测平均误差控制在±0.03%以内，表面温度分辨率达0.01℃，湿度精度1%，最快响应速度1秒，设备集成了多传感器融合技术，可以实时采集电压、电流、温度场等参数。
（2）温度动态特性建模与验证：利用XLPE电缆接头实验平台，结合等值热路法和SolidWorks有限元热力仿真，建立具有时间常数的温度动态响应模型，稳态温度预测方程决定系数R²达到0.993，动态模型平均绝对百分比误差为1.05%，实现对电缆接头温度负载动态响应的预测，为故障特征分析提供理论基础。
（3）双层ViT-BiLSTM神经网络故障诊断系统：搭建分级诊断体系:第一层完成性能类、中断类二分类，运行异常诊断准确率可达95%，可做到高危故障几乎0遗漏。第二层细分类七类分故障，故障诊断率93.5%，极大地改善故障类型识别准确度。
相关研究成果可在鄂尔多斯煤矿及电网等相关企业转化及推广，对煤矿电缆运行数据智能化监测，实现智能化巡检，有效提升电缆线路健康水平和运检效率及效益，确保电缆线路的安全稳定运行，具有重要的实用价值，可广泛应用于煤矿和智能电网等领域。
附：科研团队介绍
项目组成员共16人，其中教授5人，副教授6人，多年来一直从事电气设备故障诊断、智能电器理论及应用、煤矿电机调速系统设计等科学研究，获得国家自然基金 9项、省部级计划项目 10 余项，SCI 一区、二区检索 30 余篇，其中 SCI、EI 检索 40 篇，参编本科规划教材 10 部，获国家发明专利 15余项。
