基于WAMS系統對煤礦高壓電纜故障雙端定位方法研究

張香平

（大同煤礦集團挖金灣煤業有限責任公司，山西大同 037042）

0 引言

在煤礦井下對供電系統的要求比較高，同時需要保證質量、可靠性和安全性。一旦出現故障，需要及時排除，盡快恢復礦井供電。目前，雖然地面國家電網故障定位技術較為成熟[1]，然而，在煤礦井下高壓電纜中故障定位技術還存在一定差距，現今煤礦仍使用人工檢查方法判斷故障點，并不符合智能化電網的發展規劃[2]，存在效率和安全性低、判斷誤差大等問題。因為煤礦井下巷道空間狹窄，空氣濕度高，這不利于電氣設備和電纜的保護，它們很容易被碰撞或者因拖拽而造成損壞，電纜絕緣效果變差，常常會出現漏電，影響人員安全，礦井生產。如果故障無法及時消除，甚至造成瓦斯和煤塵爆炸等嚴重事故。在地面數字化變電站中已經開始使用WAMS技術及IEC61850協議，在一定程度上促進井下供電配電系統的完善。借鑒這一理論經驗技術，提出基于WAMS雙端行波法對煤礦高壓電纜故障定位，準確識別電纜故障所在位置，為檢修、維護提供有利的技術保障，這對礦井供電系統來說具有重要意義。

1 WAMS雙端定位原理

當煤礦井下電纜出現故障時，若想要盡快恢復供電，則需要在線實時跟進測量電纜中的電壓、電流等參數，對故障的位置進行及時的判定，避免故障位置放電，否則會引發更多事故，比如爆炸、火災等。礦井對井下電纜故障定位所使用的設備設施[3]如圖1所示。

圖1 井下電纜故障定位設備

廣域測量系統簡稱WAMS系統[4]，WAMS系統的基礎是PMU單元，利用PMU測量可以將測量值進行傳輸，最終儲存于數據采集器中。通過特定數據處理，可以添加更多的高級功能。其中，系統使用雙端定位方法來判斷線路故障，如果電路出現了故障，此時在故障點的兩端會產生一些暫態信號，行波信號可以通過疊加進行分析，也就是通過對故障進行加深，然后將具有相同電壓幅度和相反方向的虛擬電壓源添加到故障點。WAMS雙端定位原理如圖2所示，圖中表示的是在接入虛擬電壓源時，線路產生一個浪涌信號。在故障F前測量的電壓是ef，在故障點后電壓會被拉低，直到與大地等電勢，這可以理解為開關K閉合。同時，WAMS系統會和虛擬電源連接產生行波信號，向兩端傳播，直到遇到終端波阻抗，最終停止傳播。其中，一些能量被折射、傳遞給其他元件中；另一部分能量會被反射，最終回到故障線路中。如果反射回故障線的信號再次同故障點相遇，會出現二次折射和反射。基于這種原理，由故障點產生的信號在線路中連續振蕩并衰減，直到新的穩定狀態，這就是基于WAMS系統對煤礦井下高壓電纜故障雙端定位的原理。

圖2 電纜故障雙端定位原理

2 高壓電纜故障雙端定位

2.1 WAMS系統結構

高壓電纜故障定位的WAMS系統主要分為3個部分，分別是控制中心、光纖通信和PMU[5]。

（1）PMU結構及工作原理

圖3所示為PMU的結構運行示意圖。PMU工作原理是通過GPS接收器可以發送脈沖信號，其間隔時間1 s后PMU進行接收[6]，發出脈沖信號的頻率為50 Hz。另一路通過抗混疊濾波器模擬頻域，傳輸到A/D采樣模塊中，最終得到數字信號。

圖3 PMU結構

在采樣脈沖發生器中，主要以1pps（1個秒脈沖信號）為劃分標準，對脈沖信號進行界別。當脈沖信號符合預定的時間和頻率設定時，就可以啟動A/D采樣模塊。定時系統可以保證信號的同步采集，在煤礦井下定時系統中，采用單向定時系統對PMU定時，從而提高了系統的安全性，保證了其工作可靠性。在條件允許的情況下，采煤機工作時，最好采用雙系統定時PMU。

（2）控制大腦

在WAMS系統中，控制中心相當于“大腦”。它的主要功能就是接收每個PMU上傳的電壓和電流等數據，保證數據的實時性。與此同時，WAMS系統控制中心對收集到的數據進行分析、判斷和處理，不僅可以對數據進行分享，同時可以保證數據實時儲存，隨時可以查詢歷史數據，具有抗干擾抗震蕩等特點。控制中心的組成相對簡單，主要由CPU主板、PLC控制器、數據服務器等組件構成，數據服務器可以進行實時數據服務，并配有有監視系統和管理系統。

（3）通訊

在WAMS系統中的PMU和控制中心之間，通訊電纜將二者聯系起來，PMU前端信號經通訊電纜傳輸至控制中心，控制中心發出的命令經通訊電纜傳輸給PMU執行。該WAMS系統的穩定性以及快速性，是保證PMU能夠實時收集信號的基礎。為了保證數據傳輸的實時性和穩定性，通訊電纜采用高速光纖環網，將每個PMU得到的數據都快速傳送到控制中心。同時，配備ISEC61850通信協議對井下變電站的分層結構進行定義，有益于WAMS系統對井下高壓電纜故障定位起到輔助性作用。

2.2 雙端定位故障仿真分析

利用WAMS系統中的雙端定位方法對高壓電纜單相短路、兩相短路以及單相斷路故障進行了仿真模擬，仿真結果如表1～3所示。通過對仿真結果進行分析，可以得知在雙端定位方法下，定位誤差小。采用WAMS系統雙端定位方法對高壓電纜單相短路、兩相短路以及單相斷路故障相對誤差均不超過3%，這表明該方法具有可行性。即使仿真建立的線路模型不等于實際的傳輸線路，它依然可以反映一些實際情況，對井下采用WAMS系統中的雙端定位方法判斷高壓電纜故障具有一定的理論指導。從仿真結果能夠得出利用WAMS系統中的雙端定位方法對煤礦井下高壓電纜故障檢測效果十分顯著。

表1 單相短路故障定位

表2 兩相短路故障定位

表3 兩相斷路故障定位

2.3 雙端定位故障應用研究

把WAMS系統雙端定位電纜故障應用于礦井，其整個構成以及運轉示意如圖4所示。利用WAMS系統雙端定位分別對煤礦井下高壓電纜各種電纜故障類型進行了檢驗，應用表明WAMS系統雙端定位井下高壓電纜故障主要有以下特點：

（1）可操作性強，WAMS系統設備實現測磁電纜和控制臺的直接分開，提高了可操作性；

（2）定位故障位置精準，能夠直接定位出故障的位置，在地面集控中心顯示端直觀顯示高壓電纜所在位置；

（3）響應速度快，能夠快速準確地發現故障點，從而快速修復故障，盡快恢復工作，確保井下供電系統安全。

圖4 WAMS系統雙端定位井下電纜故障

在對磁測量電纜的故障進行判斷時，可以使用WAMS系統中脈沖電流法，它具有定位準確，速度快的優勢，同其他修復方法相比，修復效率高。WAMS系統雙端定位解決了礦井高壓電纜故障定位難問題，不僅定位精準，而且具有修復功能，實用性高，大大降低了電氣維修工人檢修強度，確保了井下作業人員安全，為礦井安全供電提供了保障[7-8]。

3 結束語

井下供電系統電纜故障人工檢查存在效率低、安全性差、誤差大等缺陷，為了解決礦井高壓電纜故障定位難問題，本文借鑒現在較為先進的智能化WAMS技術，提出了基于WAMS雙端行波法對煤礦高壓電纜故障定位，為檢修、維護提供有利的技術保障，為礦井供電系統安全護航。

（1）簡單介紹了WAMS系統雙端定位原理。WAMS系統采用雙端定位方法來判斷線路故障，一旦檢測到電纜故障，在故障點將會形成一個向兩端浪涌的信號。

（2）描述了WAMS系統結構。高壓電纜故障定位的WAMS系統由控制中心、光纖通信和PMU三部分構成。

（3）仿真模擬了WAMS系統雙端定位故障效果。仿真表明采用WAMS系統雙端定位方法對高壓電纜故障定位精準、可行性強、效果顯著。

（4）WAMS系統雙端定位井下電纜應用試驗。WAMS系統雙端定位井下高壓電纜可操作性強、定位精準、響應速度快、修復效率高。降低了電氣維修工人檢修強度，確保了井下供電安全。