周建軍

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)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(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)的用電需求。井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)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(shí)有發(fā)生，如不能及時(shí)做出診斷與處理，通常會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，影響煤礦正常的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，甚至造成人員傷亡。隨著技術(shù)革新，礦井供電系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，故障信息難以及時(shí)有效識(shí)別，無法及時(shí)做出診斷與決策，導(dǎo)致了事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，研究礦井系統(tǒng)故障模型與診斷方法，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別與故障類型的快速診斷對(duì)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(dòng)變電所組成。井下供電系統(tǒng)主要的故障類型包括電氣設(shè)備故障、電纜及連接器故障、采區(qū)移動(dòng)變電所故障與控制柜故障。

電氣設(shè)備故障包括：漏電故障，由于材料絕緣老化、高壓擊穿等，設(shè)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(dǎo)致電弧放電，設(shè)備過載內(nèi)部線路異常發(fā)熱，導(dǎo)致設(shè)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(yīng)力導(dǎo)致。井下環(huán)境潮濕，電纜外部絕緣層遭到腐蝕老化，導(dǎo)致線路漏電。電纜遭到外部鋼架或其他重物擠壓磨損，導(dǎo)致絕緣層脫落引發(fā)線路故障。采區(qū)移動(dòng)變電所的主要設(shè)備為干式變壓器，常用等級(jí)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(shí)現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)故障的診斷與識(shí)別，應(yīng)當(dāng)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(zhǔn)確、快速地診斷。故障樹是一種樹狀的邏輯關(guān)系圖，可描述各事件之間的因果關(guān)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(jìn)行求解，建立因果關(guān)系。

故障樹中，將系統(tǒng)故障狀態(tài)作為分析目標(biāo)，設(shè)定于故障樹頂端，稱為頂事件，常為矩形表示。基本事件設(shè)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?yàn)榈资录Ｊ綖橹虚g事件，各事件之間通過邏輯符號(hào)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(dòng)變電所故障中的干式變壓器故障G4 為例，詳細(xì)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(dòng)與變形等。繞組匝間絕緣層存在氣隙，線圈遭受長(zhǎng)期電壓沖擊造成短路現(xiàn)象。繞組受到外部應(yīng)力作用，匝間絕緣發(fā)生破損，造成繞組短路。變壓器自身長(zhǎng)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(diǎn)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(jié)水珠，表面腐蝕。鐵芯以多點(diǎn)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(fù)雜電氣系統(tǒng)，由多種子系統(tǒng)組成的多層次電氣設(shè)備，故障類型及故障源關(guān)系復(fù)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(duì)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(jié)構(gòu)

上文對(duì)礦井供電系統(tǒng)的故障類型及機(jī)理進(jìn)行了分析，為了實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的故障診斷，還需建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，系統(tǒng)包括地面監(jiān)控中心、礦井光纖網(wǎng)絡(luò)、故障診斷控制器與終端采集設(shè)備等[3-4]。

圖5 供電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

故障診斷系統(tǒng)中上位機(jī)負(fù)責(zé)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與預(yù)警功能，通過顯示終端，以柱狀圖、趨勢(shì)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(shè)備，采集供電系統(tǒng)的各類運(yùn)行參數(shù)，用于故障診斷。如溫度信號(hào)可較好反應(yīng)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(xué)模型，通過溫度變化規(guī)律，判斷干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

故障診斷控制器為系統(tǒng)的下位機(jī)，包括核心處理器、信號(hào)采集模塊、存儲(chǔ)器與電源等外部電路，負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與實(shí)時(shí)處理，通過井下環(huán)網(wǎng)將信號(hào)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(jié)構(gòu)，指令處理速度小于10 ns，信號(hào)采樣頻率最高10 MHz。

故障診斷系統(tǒng)采用模糊理論，通過對(duì)各運(yùn)行參數(shù)建立隸屬函數(shù)，確定其對(duì)各故障信息的模糊程度，根據(jù)隸屬函數(shù)計(jì)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(dāng)溫度為x0時(shí)，隸屬度為u（x0）。建立起的模糊理論可反應(yīng)參數(shù)與故障類型的程度或關(guān)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(cè)、信息融合、故障判斷三個(gè)部分。狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)通信等功能，將信號(hào)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(jī)理為基礎(chǔ)，將采集到的信號(hào)進(jìn)行特征提取與信息統(tǒng)合，實(shí)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(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)多設(shè)備與多部件的故障診斷與安全監(jiān)測(cè)。故障診斷系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)各采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)合，通過LabVIEW 平臺(tái)對(duì)DSP 內(nèi)部程序進(jìn)行編寫，并設(shè)計(jì)控制器及上位機(jī)的系統(tǒng)界面[5-8]。

5 結(jié)語

針對(duì)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(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與融合，評(píng)估故障類型，并通過故障樹建立邏輯關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的故障診斷，并判斷引起故障的原因，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，降低事故擴(kuò)散范圍，保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。