礦用供電系統(tǒng)故障模型及診斷方法研究

周建軍

（山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030024）

引言

礦用供電系統(tǒng)主要包括地面變電所、井下中央變電所與采區(qū)變電所，滿足井下生產(chǎn)與運輸?shù)认到y(tǒng)的用電需求。井下地質(zhì)環(huán)境復雜，供電系統(tǒng)多處于瓦斯、煤塵與潮濕等惡劣環(huán)境下，影響供電系統(tǒng)的可靠性，所以礦井供電系統(tǒng)故障時有發(fā)生，如不能及時做出診斷與處理，通常會引發(fā)嚴重的安全事故，影響煤礦正常的生產(chǎn)運營，甚至造成人員傷亡。隨著技術革新，礦井供電系統(tǒng)愈發(fā)復雜，故障信息難以及時有效識別，無法及時做出診斷與決策，導致了事故進一步擴大。因此，研究礦井系統(tǒng)故障模型與診斷方法，實現(xiàn)故障點的精準識別與故障類型的快速診斷對煤礦安全供電具有重要意義。

1 礦井供電系統(tǒng)故障

礦井供電系統(tǒng)一般由地面變電所、井下中央變電所與采區(qū)移動變電所組成。井下供電系統(tǒng)主要的故障類型包括電氣設備故障、電纜及連接器故障、采區(qū)移動變電所故障與控制柜故障。

電氣設備故障包括：漏電故障，由于材料絕緣老化、高壓擊穿等，設備內(nèi)部線路或部件發(fā)生絕緣破損，材料表面出現(xiàn)爬電現(xiàn)象；短路故障，內(nèi)部部件絕緣失效導致電弧放電，設備過載內(nèi)部線路異常發(fā)熱，導致設備短路。電纜及連接器故障主要由環(huán)境因素、自身質(zhì)量與外部應力導致。井下環(huán)境潮濕，電纜外部絕緣層遭到腐蝕老化，導致線路漏電。電纜遭到外部鋼架或其他重物擠壓磨損，導致絕緣層脫落引發(fā)線路故障。采區(qū)移動變電所的主要設備為干式變壓器，常用等級為10 kV 與6 kV，通常干式變壓器的故障分為繞組故障與鐵芯故障。

2 供電系統(tǒng)故障模型

為了實現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)故障的診斷與識別，應當建立一種故障模型，用來描述系統(tǒng)故障類型及原因等，方便系統(tǒng)準確、快速地診斷。故障樹是一種樹狀的邏輯關系圖，可描述各事件之間的因果關系，將采集到的信息作為"因"，故障類型作為"果"，通過故障樹模型進行求解，建立因果關系。

故障樹中，將系統(tǒng)故障狀態(tài)作為分析目標，設定于故障樹頂端，稱為頂事件，常為矩形表示?；臼录O定于底部，稱為底事件，常為圓心表示。頂事件與底事件之間為中間事件，常為矩形表示。在供電系統(tǒng)故障樹中，故障失效狀態(tài)為頂事件，失效原因為底事件，失效模式為中間事件，各事件之間通過邏輯符號連接[1-2]。

本文通過分析供電系統(tǒng)故障類型，建立故障樹模型，如圖1 所示，各因素解釋說明如下頁表1 所示。圖中故障樹模型為其中一部分，下文將以采區(qū)移動變電所故障中的干式變壓器故障G4 為例，詳細分析故障類型及因素。

表1 故障樹各因素解釋說明

圖1 礦井供電系統(tǒng)故障樹模型示意圖

3 干式變壓器故障模型

干式變壓器的故障主要包括兩類：繞組故障與鐵芯故障。繞組故障可分為繞組層間、匝間短路、繞組斷路、繞組松動與變形等。繞組匝間絕緣層存在氣隙，線圈遭受長期電壓沖擊造成短路現(xiàn)象。繞組受到外部應力作用，匝間絕緣發(fā)生破損，造成繞組短路。變壓器自身長期輻射發(fā)熱，造成局部溫度過高、絕緣材料老化。

鐵芯故障主要類型包括：鐵芯接地不良、鐵芯間短路、多點接地。鐵芯表面存在毛刺，造成鐵芯間短路。井下環(huán)境潮濕，變壓器外殼內(nèi)部凝結水珠，表面腐蝕。鐵芯以多點接地故障為主，造成內(nèi)部過熱，硅鋼片等部件絕緣老化，造成鐵芯接地片斷裂。干式變壓器為復雜電氣系統(tǒng)，由多種子系統(tǒng)組成的多層次電氣設備，故障類型及故障源關系復雜，常常交織在一起，具有不確定性。造成干式變壓器故障的主要原因包括：過電壓、過電流、高溫與局部放電等。根據(jù)對干式變壓器的故障分析，建立故障樹模型如圖2、圖3 與圖4 所示。

圖2 干式變壓器故障樹模型

圖3 繞組故障樹模型

圖4 鐵芯故障樹模型

4 供電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)總體結構

上文對礦井供電系統(tǒng)的故障類型及機理進行了分析，為了實現(xiàn)供電系統(tǒng)的故障診斷，還需建立監(jiān)測系統(tǒng)。故障監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構如圖5 所示，系統(tǒng)包括地面監(jiān)控中心、礦井光纖網(wǎng)絡、故障診斷控制器與終端采集設備等[3-4]。

圖5 供電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)總體結構

故障診斷系統(tǒng)中上位機負責參數(shù)的實時顯示與預警功能，通過顯示終端，以柱狀圖、趨勢圖與表格等形式向工作人員提供信息。系統(tǒng)包括各類傳感器設備，采集供電系統(tǒng)的各類運行參數(shù)，用于故障診斷。如溫度信號可較好反應干式變壓器的工作狀態(tài)，通過溫度伏安法建立溫度與電壓、電流的數(shù)學模型，通過溫度變化規(guī)律，判斷干式變壓器運行狀態(tài)。

故障診斷控制器為系統(tǒng)的下位機，包括核心處理器、信號采集模塊、存儲器與電源等外部電路，負責信號的采集與實時處理，通過井下環(huán)網(wǎng)將信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。控制器選用DSP 處理器，采用哈弗結構，指令處理速度小于10 ns，信號采樣頻率最高10 MHz。

故障診斷系統(tǒng)采用模糊理論，通過對各運行參數(shù)建立隸屬函數(shù)，確定其對各故障信息的模糊程度，根據(jù)隸屬函數(shù)計算得到參數(shù)的隸屬度。如變壓器溫度的隸屬函數(shù)為u（x），x 表示溫度大小，當溫度為x0時，隸屬度為u（x0）。建立起的模糊理論可反應參數(shù)與故障類型的程度或關系。

4.2 系統(tǒng)軟件總體方案

故障診斷系統(tǒng)包括狀態(tài)監(jiān)測、信息融合、故障判斷三個部分。狀態(tài)監(jiān)測部分包括信號采集、數(shù)據(jù)預處理以及數(shù)據(jù)通信等功能，將信號濾波與提取后傳輸?shù)娇刂破鳌Ｐ畔⑷诤喜糠忠怨╇娤到y(tǒng)故障機理為基礎，將采集到的信號進行特征提取與信息統(tǒng)合，實現(xiàn)采集信息的有效分類，方便故障類型的區(qū)分。故障判斷通過算法將各特征參數(shù)作為數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)供電系統(tǒng)多設備與多部件的故障診斷與安全監(jiān)測。故障診斷系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡理論，對各采集信息進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)合，通過LabVIEW 平臺對DSP 內(nèi)部程序進行編寫，并設計控制器及上位機的系統(tǒng)界面[5-8]。

5 結語

針對供電系統(tǒng)建立的故障診斷系統(tǒng)，通過傳感器采集供電系統(tǒng)運行參數(shù)，進行數(shù)據(jù)分析與融合，評估故障類型，并通過故障樹建立邏輯關系，可實現(xiàn)供電系統(tǒng)的故障診斷，并判斷引起故障的原因，及時進行維護，降低事故擴散范圍，保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。