煤礦采區供電系統關鍵元件故障的診斷研究

李玉紅

（山西朔州山陰蘭花口前煤業有限公司， 山西 朔州 036900）

引言

礦井工作面里所有電氣設備的供電均由采區變電所提供，采區移動變壓器將高壓電降壓后，再將其傳輸給負載。采區變電所給掘進、采煤、排水、運輸設備提供用電，因為這些負載分布不一，又長期處在煤塵、瓦斯等復雜工況下，礦井地質環境惡劣，造成供電系統無法穩定運行[1-3]。實際生產時，采區變壓器、設備、供電系統電路等會經常有故障發生，會對煤礦正常生產造成不良影響，嚴重時會發生瓦斯超限事故，并且發生人員傷亡事故[4]。目前煤礦因配備較多自動裝置，自動化程度高，所以，礦井供電系統發生故障時，要及時從調度中心接收到的報警信息、故障信息與斷路器動作信息中識別供電系統故障是十分困難的，會對煤礦正常生產造成不良影響，且故障元件維修與更換的不及時，會造成安全風險，因此，需要對供電系統關鍵元件診斷系統進行改造。

1 系統關鍵部件的故障診斷機理

診斷器檢測電氣元件的信號，并對信號進行提取與處理，當發現信號與正常工作的信號不一致時，立即對設備的運行狀態進行甄別。如果診斷是異常狀態，終端設備上就會顯示需進行維修，以實現對設備的故障診斷，見圖1。

圖1 系統關鍵部件的故障診斷機理

通常使用DSP 芯片對供電系統的元件進行故障診斷。經第一變換后的系統電流與電壓，再經隔離、變換與低頻濾波，A/D 轉換器會接收到該信號，最后DSP 芯片會接收到經相變獲得的數字信號。對真空斷路器里的各路信號進行檢測，使用濾波調節器對信號進行濾波，再將信號傳至DSP 芯片，線路里的電流信號與電壓信號也要傳至DSP 芯片，將工作正常的關鍵部件和相關技術參數結合起來，芯片對其進行判斷，這個過程就是供電系統部件的故障診斷機制。該方法擁有使用方便、效率高、易操作、成本低廉等優點。

2 關鍵部件故障的診斷

2.1 線路元件故障的診斷

表1 是以采區供電系統線路元件L1 的診斷實例列出的L1 保護名稱和其配套斷路器。

表1 元件L1 保護名稱與配套斷路器

依據線路元件故障診斷的模型，DSP 芯片可以對線路故障進行精準判斷，并及時切斷線路。如果短路發生在線路L1 中，如下數字信號會被DSP 芯片識別：

式中：L1 是線路元件名；M0 是線路元件的故障；CB1、CB2 是斷路名稱。

依據線路元件L1 故障診斷的模型，DSP 芯片對線路故障進行分析判斷，判斷L1 是故障態，并且進行故障報警。主保護RL1A 執行動作，保護器執行指令，CB1 跳閘進而切除掉故障。線路L1 為雙保險，即斷路器CB2 也跳閘。下頁表2 是線路元件L1的診斷結果。

2.2 母線元件故障的診斷

該元件診斷機理和線路元件的診斷大致相同。即依據元件故障診斷的模型，DSP 芯片對線路故障進行精準判斷后，使斷路器執行對應保護動作。

分析采區母線故障診斷后，發現母線有三級保護，分別是主保護、一級、二級后備保護。母線與線路元件的數字信號雖然不太一樣，但是斷路器的執行動作是一樣的。診斷器檢測元件的信號，并對信號進行提取與處理，如果診斷是異常狀態，則主保護執行動作，并且斷路器對故障進行切除。

表2 L1 線路元件診斷結果

2.3 變壓器故障的診斷

采區變壓器采取的是油浸的方式，在CH4、H2、C2H2、C2H6這5 種氣體里溶解。評判診斷變壓器工作的一個標準就是各個氣體所占百分比。變壓器輸出層數據是高溫過熱、氣體含量、中低溫過熱、低能量放電與高能量放電這五大類。經DSP 芯片分析判斷后，則輸出0 或1 以區分故障類型。若輸出是1，則表示采區變壓器發生過此類故障，若輸出是0，就表示為其他故障。中樞處理系統會對各個類別的數值進行設置，越接近某個數，就表示是該故障的可能性越大。

如果變壓器出現過熱故障，不管是低溫還是高溫過熱，診斷器都只會輸出大于0 的值，并且低能量與高能量放電也只會輸出大于0 的值，因兩種過熱現象與兩種放電現象不會同時發生，但會同時發生放電與過熱這兩種情況，也會出現輸出大于0 的值。

3 工程實踐

由變壓器、線路、饋出負荷以及母線順序連接形成了口前煤礦供電系統，經過現場對一采區的供電系統相關故障進行檢測，驗證故障診斷方法的效果。

3.1 線路元件故障的診斷實踐

線路L1 的短路故障被監測到之后，會馬上作出響應，主保護RL1A 開始動作，斷路器CB1 接收到跳閘指令后進行動作，此時該故障就會反饋到終端，負責檢修的技術人員會對該線路進行斷電整修；線路L2 的短路故障被監測到之后，主保護RL1B 立即執行動作，斷路器CB2 不動作，一級后備保護RL1C 對故障進行切除。

3.2 母線元件故障的診斷實踐

母線L0 短路被診斷器檢測到，DSP 芯片啟動，主保護R 被控制級命令動作，一級后備保護RB0啟動，斷路器CB0 不動，為切除故障，斷路器RCB0斷開，并將母線L0 發生短路故障的信息就會顯示在終端，維修人員看到后立即對其進行整修。

3.3 變壓器故障的診斷實踐

供電系統工作時，移動變壓器的故障被監測到之后，終端會顯示數值1，即表示變壓器出現高溫過熱、氣體含量、高能量與低能量放電、中低溫過熱等故障，然后技術人員對這些故障進行排查。若數值是0，技術人員通過排查確定移動變壓器T1 發生短路，此方法達到預定目標，變壓器的故障被診斷器精準地診斷出。