基于FTA的煤礦工作面供電系統故障分析

閆亞恒

（潞安集團電力中心，山西 長治 046000）

0 引言

隨著煤礦開采技術和工藝不斷進步，機械化生產需要配套各類采掘設備、運輸設備、通風設備、排水設備以及安全監控系統［1-3］。為了確保各類設備正常運轉，首先就要確保設備區域供電系統的穩定性。同時采煤工作面內的供電系統相對整個系統而言，工作區域、負荷、結構都會隨生產需要進行調整，這類變化導致該區域內供電系統的穩定性會低于其他永久設施區域。同時非計劃性停電導致各個子系統無法正常工作，瓦斯積聚、地下水無法正常排出等問題就會隨之出現，所以確保井下生產系統的正常供電安全對礦井生產十分關鍵［5-6］。因此，需要及時發現和控制影響工作面供電系統正常工作的隱患，保障井下生產正常的用電需求。

1 供電系統故障類型分析

1.1 線路與連接器故障

環境因素，井下潮濕環境、有害氣體會腐蝕供電線路的絕緣層，長期腐蝕會降低線路絕緣性能導致漏電現象［7-9］。此外，質量因素則是線路絕緣性能較差，高電壓會導致絕緣擊穿或環境腐蝕導致絕緣失效；連接器本身密封性能或絕緣物封灌不良，在潮濕環境下易進入水汽或直接浸水，從而導致短路。井下作業環境內大型設備、物料較多，巷道內敷設的線路受到作業空間內的軌道、支護鋼架或其他重物相互擠壓、磨損引發線纜絕緣失效，或不可預知的牽引絞繩斷繩飛出會直接打斷線纜。線纜絕緣物質受氧化作用具有使用年限限制，同時電流通過產熱和潮濕水汽也會加速老化，一旦絕緣失效導致漏電或短路；線纜工作電流應低于設計工作運行電流，長期功率過載或電壓異常會擊穿或破壞線纜。

1.2 移動變電站故障

移動變電站內出現問題易導致供電系統故障的裝置主要是開關機構故障、漏電保護機構故障、變壓器故障［10］。移動變電站內控制開關觸頭安裝間距接觸不良、爬電距離和電氣間隙過小，開關絕緣電阻小于設計值，易發生相間放電導致系統短路。移動變電站內開關通常采用防爆型漏電保護開關，而開關漏電保護裝置一旦失效，低壓端短路出現，保護機構不跳動，會造成系統停電和設備損傷。移動變壓站內部干式變壓器內線圈絕緣部分易受損傷，應避免不必要的沖擊等傷害，導致線圈絕緣損傷，干式變壓器的故障會引發供電系統故障。

1.3 電源控制柜、開關柜故障

開關柜內防爆開關漏電保護部分故障，用電設備過載及短路不能正常脫扣斷開饋電回路，導致供電系統中出現越級停電現象，引發電氣系統中大范圍斷電停運現象。人為因素，生產過程中作業人員非正常接觸開關柜導致漏電或短路現象，或維修過程中誤操作打開母聯開關導致漏電或短路，進一步引發大范圍停電。

1.4 用電設備故障

井下用電設備常見的故障主要有漏電、短路和控制器故障。對于漏電故障，通常情況下漏電主要由于用電設備內部線路和部件絕緣性能下降或爬電距離縮小，具體原因有外部損傷、絕緣老化、異常高電壓擊穿等；對于短路故障，絕緣失效也是短路故障主要原因之一，設備內部絕緣失效易導致電弧放電、相間短路，同時用電設備過載也是主要闡述設備內部線路短路的主要因素，超載或頻繁啟動設備等過載現象會導致電壓升高、線路或其他用電元件異常發熱，繼而導致設備短路；而對于控制器故障，控制器失效的原因分別為程序紊亂和物理損傷。系統紊亂會導致設備使用功能紊亂或失效從而無法正常操控；物理損傷即受到外力作用控制單元連接失效導致整體設備無法正常操控，如安裝過程中的控制單元接線錯誤、接頭虛接，或者受到震動等外因導致線路松動、元件焊接脫焊，或超載導致控制器內各單元燒損。

2 工作面供電系統失效故障樹模型的建立

故障樹分析法是安全系統學內對可靠性事件主要分析方法之一，該方法結構簡單、邏輯清晰，并且可以通過數理方法對被評價事件進行定性和定量分析，得出不同底層事件對頂上事件的影響概率以及頂上事件發生概率。通過導致頂上事件的各類直接原因，以及導致這些原因的底層事件，層層展開，查找事件真正觸發因素，將事件中的各個相關因素通過邏輯運算符號相互聯結，自頂上事件逐級展開，形成完整的邏輯關系網絡構成對頂上事件的分析模型。再次根據定性分析查找失效事件的關鍵控制點，優化和控制隱患點。再通過數理統計方法對各類基礎事件的概率等可知數值進行處置，對各類因素進行分析和判斷，對系統相關設計、加工和維護等方面進行適當優化建議，為提高系統可靠性能提供相應幫助。

2.1 故障樹模型

通過故障樹分析法建立礦井工作面供電系統失效故障樹模型，將導致供電系統失效的中間事件分為線路與連接器故障、移動變電站故障、開關柜故障和用電設備故障4類原因。再對該中間事件再次展開查找失效事件的底層基礎事件，從而構建礦井采煤工作面供電系統失效故障樹模型。詳細模型如圖1所示。

2.2 故障樹分析

可能致使故障樹頂上事件發生的最小基本底層事件的集合被稱為該故障樹的最小割集。進行最小割集計算的方法眾多，如行列法、矩陣法、結構法和布爾代數法等，選取布爾代數進行該模型的最小割集計算

圖1 煤礦采煤工作面供電系統失效故障樹

可以得出故障樹中存在17個最小割集，即17個基本事件：X1、X2、…、X17。故障樹內各個基本事件發生都會引起系統失效事件發生。

由于實際各個基本事件發生概率統計不便，為了確定基本事件在整個分析模型中的結構重要系數，文中通過最小割集盤點各個基本事件的結構重要度順序，從而確定各事件在系統的優先控制順序如下

通過結構重要度確定的排序與各結構在整個供電系統的結構也基本一致，對電源控制柜故障應優先控制，而后依次為移動變電站類故障和線路故障，最后為各用電設備類故障。

3 提高供電系統可靠性的措施

為達到提高供電系統穩定性和可靠性，提出通過加裝配電實時監控系統，建立故障檔案，建立合理故障巡查和維修制度，提高操作人員安全意識和專業技術水平4個方面。

3.1 井下供配電實時監控系統

礦井安全管理人員通常依靠井下安全監控系統能夠實時了解井下通風系統狀態、各關鍵有害物質情況、井下設備與人員位置等信息，為了提高供電系統管理的效率，有必要單獨引入礦井供電在線監測系統，或在安全監控系統基礎上增加對井下供電系統的管理。通過對井下供電系統中各個單元的實時監控及時發現故障、判斷故障原因并制定安全處置措施，對故障區域內的供配電狀態及時通過在線系統進行調節，配合故障維修工作，最大限度控制供電故障對生產構成的損失。

3.2 建立故障檔案

為供配電系統中各電氣裝置的故障類別、故障率、損傷程度進行綜合統計，并根據類別進行分類，建立故障臺賬和檔案，為故障判斷、關鍵控制點確定提供指導作用。同時使用專業設備定期為配電裝置及電氣設備進行非損傷性能檢測，可以引入設備檢修仿真模擬軟件輔助維修，配合供電系統監控系統完成對供電裝置及設備狀況的了解。

3.3 礦井供電設施日常維修

礦井生產與普通生產企業有很大區別，生產區域經常發生變動，采區內供電和用電設備的移動性和變化性，導致用電負荷由于采區變化和用電設備功率容量變化而經常性需要進行調整，用電運行參數變化應及時進行調整升級供電系統。應制定較為完善的供電系統定期巡查檢修計劃，以便及時發現電氣系統中安全隱患。例如井下供配電線路、防爆電氣設備的電氣絕緣是否出現破損或其他功能異常，及時替換和維修。嚴禁使用超出使用年限、不滿足安全及性能要求的供電設備。

3.4 加強操作人員安全意識與專業技能

作為供電系統維護和使用的主體，如何提高井下管理和作業人員安全意識，對提高供電安全和供電系統質量是最為重要的。其次作業人員專業技能水平也會嚴重影響到系統安裝、調節和維護的質量，所以應對井下操作和維護人員展開針對性的安全以及專業性培訓，通過技能講座、技能交流、技能考核、技能鑒定等多種方式提升作業人員作業水平。最后，應規范井下用電作業流程，提高作業人員應急處置效率，對突發故障及時進行排查，判明故障原因和制定處置方案，避免事故擴大。

4 結語

礦井作業環境惡劣，同時采煤工作面供電系統會隨采煤工作的需要進行移動和調整，多種原因導致礦井采煤工作面供電系統故障幾率會高于其他區域。通過故障樹分析法對采煤工作面供電系統失效事件進行研究，將失效分為4個中間事件，即：線路與連接器故障、移動變電站故障、電源控制柜故障和用電設備故障事件，最終將導致和影響工作面供電系統穩定性的因素劃分為17個基本事件，并確定結構重要度。為了提高和改善工作面供電系統穩定性，一方面在技術上通過實時供電監控提前發現隱患，通過建立故障檔案、加強巡查和維護以及提高作業人員素質與能力等管理措施；另一方面，結合礦井實際，針對性開展礦井供電系統的維護，確保正常生產秩序。