曹明東

（山西朔州平魯區(qū)茂華東易煤業(yè)有限公司，山西朔州 036800）

0 引言

隨著時代的不斷發(fā)展，煤礦對井下配電所的要求越來越高[1]。其中，礦井高壓配電裝置是礦井供電電路中非常重要的構(gòu)成部分，其作用是為井下各類機電設(shè)備進行電能分配[2]。高壓配電裝置運行過程的安全性和可靠性對整個供電網(wǎng)絡(luò)的可靠運行有直接影響，甚至?xí){到礦井的安全生產(chǎn)[3]。當(dāng)前井下機電設(shè)備都朝著大型化和重型化方向發(fā)展，使得其功率越來越高，導(dǎo)致礦井的電壓等級和負荷容量均出現(xiàn)了明顯的上升[4-5]。這對高壓配電裝置的性能提出了更高的要求。由于礦井工作環(huán)境比較復(fù)雜，且負荷會存在比較大的變化，高壓配電裝置在使用時經(jīng)常出現(xiàn)各類故障問題，對采煤過程的連續(xù)性造成了不良影響[6-7]?；诖耍斜匾O(shè)計礦用高壓配電裝置的故障識別系統(tǒng)，對其運行過程中的各類安全隱患進行有效的判斷與識別[8]。

為了確保礦用高壓配電裝置的運行安全性，趙鵬云[9]在原有的高壓配電裝置系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加設(shè)置了遠程監(jiān)控和操作系統(tǒng)，這種方式能夠在一定程度上提升裝置的運行安全性，但不能從根本上解決問題。部分學(xué)者針對裝置在煤礦運行過程中的常見故障問題及其檢測方法進行了切合實際的分析與研究。比如，王超[10]結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際，在充分分析高壓真空配電裝置常見故障問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計研究了針對性的故障檢測方法及其對應(yīng)的顯示系統(tǒng)，在工程實踐中取得了很好的應(yīng)用效果。趙鈺[11]在分析高壓配電裝置不同故障類型特征的基礎(chǔ)上，同樣設(shè)計了針對性的識別方法，效果較好。本文在充分借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦實際情況，設(shè)計研究了礦用高壓配電裝置故障識別系統(tǒng)，對于保障礦井安全生產(chǎn)具有重要的實踐意義。

1 高壓配電裝置結(jié)構(gòu)及常見故障

圖1所示為礦用高壓配電裝置的現(xiàn)場圖片。由于煤礦環(huán)境比較特殊，礦用高壓配電裝置與其他使用環(huán)境相比較有其特殊之處。首先礦用高壓配電裝置必須要配套使用防爆外殼，作用是將其與外界進行隔離。其次，滅弧室結(jié)構(gòu)的距離以及類型需要充分結(jié)合煤礦的電壓等級和負載大小來合理設(shè)置。由于煤礦工作環(huán)境較為復(fù)雜，高壓配電裝置在使用時容易出現(xiàn)各類故障問題。可以將這些故障劃分成為3大類型，分別為機械故障、電氣故障和絕緣故障，上述3類故障問題出現(xiàn)的比例分別為35%、30%和35%左右。對高壓配電裝置故障問題產(chǎn)生的原因進行深入分析，發(fā)現(xiàn)這些故障問題與裝置的7種狀態(tài)信息之間存在緊密聯(lián)系，分別為振動、位移、線圈電流、觸頭溫度、儲能電容電壓、電流和滅弧室真空度。因此，在設(shè)計故障識別系統(tǒng)時，只需要對上述7種狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測，就可以判斷裝置是否存在安全隱患。

圖1 礦用高壓配電裝置現(xiàn)場

2 故障識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 硬件的整體結(jié)構(gòu)

圖2所示為故障識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。由圖可知，整個硬件結(jié)構(gòu)可以劃分成為兩部分，分別為上位機部分和下位機部分。其中下位機部分主要是各類傳感器和監(jiān)測裝置，通過傳感器對高壓配電裝置的7類狀態(tài)信息進行詳細監(jiān)測，利用監(jiān)測裝置對檢測到的數(shù)據(jù)信息進行濾波處理。上位機部分主要包括工控機、系統(tǒng)中心服務(wù)器和顯示器，作用是對監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)信息進行分析、存儲并顯示?？梢钥闯?，下位機部分主要負責(zé)礦用高壓配電裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集，而上位機部分則主要負責(zé)數(shù)據(jù)信息的分析與處理，兩者的功能相互補充，缺一不可。它們之間通過RS-480實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。

圖2 故障識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器的選型

如何及時準(zhǔn)確地獲取礦用高壓配電裝置的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，是故障識別系統(tǒng)運行精確性的關(guān)鍵所在，因此對傳感器的要求相對較高。傳感器是所有硬件設(shè)施中最為關(guān)鍵的部分，其性能好壞直接決定了數(shù)據(jù)信息獲取的速度和精度。以下對主要的傳感器進行選型與設(shè)計。

（1）電信號傳感器

在充分結(jié)合礦用高壓配電裝置實際使用情況的基礎(chǔ)上，選用的電信號傳感器主要包含兩類，分別為電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器，具體型號分別為VSM200D和CSMO30SY，以上兩個傳感器都需要DC 15 V電壓進行供電。電壓傳感器可以檢測的電壓在200 V以內(nèi)，對應(yīng)輸出的檢測電流信號值為4～20 mA；電流傳感器可以檢測的電流在30 A以內(nèi)，對應(yīng)輸出的檢測電流信號值為4～20 mA。而需要檢測的電壓和電流分別為0～180 V和0～25 A，完全能夠滿足實際使用需要。

（2）位移傳感器

選用的是YHL50型精密電阻式位移傳感器，優(yōu)勢在于測量精度高、可對曲線位移進行測量、輸出的電壓信號具有很好的線性關(guān)系，線性度可以控制在5%范圍內(nèi)，方便后續(xù)信號的分析與處理。對于50 mm以內(nèi)的位移均可以準(zhǔn)確測量，輸出的測量信號為0～5 V的電壓。會避免測量誤差，必須嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對傳感器進行安裝。

（3）振動傳感器

分合閘時三相觸頭會出現(xiàn)明顯的振動情況，如果振動過于強烈，會導(dǎo)致高壓配電裝置出現(xiàn)故障問題，需要利用振動傳感器對三相觸頭的振動情況進行實時監(jiān)測。結(jié)合實際情況選用的是LC0159型壓電加速度傳感器，該型號傳感器具有非常高的性價比，在工業(yè)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，整個測試過程比較簡單，可有效規(guī)避外界對測量過程造成的不良影響。對于加速度在500g范圍內(nèi)的加速度均可以準(zhǔn)確測量。

3 故障識別系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件的整體結(jié)構(gòu)

圖3所示為故障識別系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)。硬件是實現(xiàn)故障識別系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的靈魂，其作用是對所有的硬件設(shè)施進行整合連接，完成數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、存儲與分析。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)特征，軟件部分同樣可以劃分成為兩部分，分別為上位機部分和下位機部分。其中上位機軟件部分的作用是對數(shù)據(jù)信息進行采集、濾波與傳輸，上位機軟件部分則主要是對采集得到的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)理，并對故障特征進行提取與識別，還需要將數(shù)據(jù)進行存儲并顯示。考慮到下位機和上位機的軟件部分功能存在一定差異，因此需要利用不同的平臺來編程實現(xiàn)。其中，下位機軟件部分主要在DSP最小系統(tǒng)中通過C語言進行編程實現(xiàn)，而上位機則主要是在LABVIEW平臺上進行編程實現(xiàn)。

圖3 故障識別系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)

3.2 上位機部分工作流程

軟件結(jié)構(gòu)的上位機部分是比較關(guān)鍵的構(gòu)成部分。由上位機來決定是否開啟傳感器對高壓配電裝置的狀態(tài)信息進行采集。如果確定需要采集，則由上位機下達采集指令，各傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)開始工作。上位機接受狀態(tài)數(shù)據(jù)信息并基于內(nèi)置的處理程序?qū)Σ杉玫降臄?shù)據(jù)信息進行分析處理，以判斷高壓配電裝置的工作狀態(tài)是否存在安全隱患。同時將采集得到的數(shù)據(jù)信息存儲到系統(tǒng)中心服務(wù)器中，以便后期對數(shù)據(jù)信息進行調(diào)取查看。采集得到的數(shù)據(jù)信息以及最終的分析結(jié)果都需要在顯示器中進行顯示，以便工作人員查看。若通過分析識別發(fā)現(xiàn)高壓配電裝置存在安全隱患，則會發(fā)出聲光警報，以提示工作人員及時進行處理，保障供電網(wǎng)絡(luò)的安全。

4 故障識別系統(tǒng)的實踐應(yīng)用分析

將設(shè)計的礦用高壓配電裝置故障識別系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實踐中。安裝完成后，對其各項功能進行了測試，發(fā)現(xiàn)所有的傳感器均能對高壓配電裝置的狀態(tài)信息進行準(zhǔn)確采集，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C信息處理系統(tǒng)中進行分析處理，整個工作全部正常。調(diào)試完畢后將其應(yīng)用到礦井變電所中運行，圖4所示為高壓配電裝置故障識別系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用情況。對故障識別系統(tǒng)的實踐應(yīng)用情況進行了連續(xù)6個月時間的觀察，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行良好，能夠及時準(zhǔn)確地對高壓配電裝置各類狀態(tài)信息進行采集并分析，從而發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，取得了很好的實踐應(yīng)用效果。在很大程度上提升了礦井供電系統(tǒng)的安全與可靠性，取得了很好的安全效益。另外，礦井供電網(wǎng)絡(luò)可靠性的提升，有效保障了采煤過程的連續(xù)性，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

圖4 高壓配電裝置故障識別系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場

5 結(jié)束語

高壓配電裝置是礦井供電系統(tǒng)中非常重要的構(gòu)成部分，其運行過程的可靠性和穩(wěn)定性對采煤過程的連續(xù)性有非常重要的影響。在充分結(jié)合煤礦工程實踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計研究了礦用高壓配電裝置的故障識別系統(tǒng)。系統(tǒng)主要利用各類傳感器對裝置的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)測，并基于內(nèi)置的軟件程序?qū)Σ杉玫降臄?shù)據(jù)信息進行分析處理識別。能夠及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)高壓配電裝置運行過程中存在的安全隱患問題，并及時采取措施進行處理，避免小問題引發(fā)大安全事故。故障識別系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，顯著提升了礦井供電系統(tǒng)的安全程度，為采煤過程的連續(xù)性奠定了良好的基礎(chǔ)，取得了很好的安全效益和經(jīng)濟效益。