煤礦變壓器故障分析及監控系統設計

計大威

(上海電子信息職業技術學院，上海 201411)

隨著煤礦機械化程度的逐漸發展，煤礦對設備性能的要求也逐漸增加。煤礦干式變壓器作為煤礦主要功能設備，其正常運轉主要關系著煤礦安全生產。由于煤礦變壓器處于復雜惡劣的環境，致使變壓器出現設備老化、故障頻發等情況。并且由于干式變壓器的復雜結構和故障種類的復雜，造成干式變壓器溫度急劇增加，出現絕緣材料使用壽命的損耗及火災的發生?，F階段，礦用變壓器的故障診斷主要依靠預防性試驗和定期檢修來實現的，該方法主要依靠檢查員的經驗實現，不能夠對復雜故障做出準確判斷[1-4]。針對煤礦變壓器故障分析及監控系統需要解決的問題有：①礦用變壓器的故障診斷體系的建立；②礦用變壓器運行參數的有效采集；③礦用變壓器故障和故障原因的關系確立；④數據傳輸中的電磁干擾問題；⑤相應故障參數的測試精度；⑥礦用變壓器監測方法的確定[5-10]。鑒于此，本文研究了煤礦變壓器故障分析及監控系統，有助于及時發現礦用變壓器故障發生部位，便于設備的維修，提高了礦用變壓器供電質量，從而減小了由礦用變壓器故障引起的火災發生概率。

1 煤礦變壓器故障及評估結構

1.1 煤礦變壓器故障分析

由于礦用變壓器長期處于高溫度、大濕度、諧波污染程度高、設備密集的環境中，使得礦用變壓器影響因素有很多。常見的影響因素[11-14]有：①高溫的影響，礦用變壓器在運行過程中，會出現耗能發熱，導致故障的產生；②過電流的影響，基于電流的熱效應，礦用變壓器繞組過電流會出現發熱現象，致使繞組的絕緣出現老化，引起故障的發生；③過電壓的發生，在礦用變壓器操作中，會出現諧波過電壓、暫態過電壓和操作過電壓，影響礦用變壓器的絕緣水平，有時甚至擊穿絕緣層，造成故障的發生。按照事故發生的部位劃分，礦用變壓器常見故障主要有鐵芯故障和繞組故障2類。

(1)鐵芯故障。鐵芯故障主要表現形式有鐵芯片間短路、鐵芯接地不良、鐵芯多點接地等。根據統計，鐵芯故障在礦用變壓器故障中占有很大比例。鐵芯故障分類如圖1所示。

圖1 鐵芯故障分類Fig.1 Core failure classification

(2)繞組故障。繞組故障的主要原因：①繞組松動造成絕緣受阻；②沒有完全干燥，造成絕緣性能不足；③外部負載頻繁變化；④繞組的變化造成繞組長期受力；⑤繞組導線的錯位造成過電壓的發生。繞組故障分類如圖2所示。

圖2 繞組故障分類Fig.2 Winding fault classification

1.2 礦用變壓器狀態評估結構

本文采用多種參數融合的方式進行監控系統的設計，礦用變壓器狀態評估參數見表1。

表1 礦用變壓器狀態評估參數Tab.1 Condition assessment parameters of mine transformer

2 煤礦變壓器監控系統總體架構設計

本文設計的煤礦變壓器監控系統應具有功能：①準確性和穩定性；②為了克服外部擾動的影響，應具有一定的抗電磁干擾能力；③可以實時監測變壓器的運行狀態，并對采集到的信息進行傳輸、儲存和處理；④對變壓器進行狀態監測和故障實時診斷時，能夠不影響變壓器正常使用。

煤礦變壓器監控系統總體架構如圖3所示。系統主要由服務器、服務器終端、監測裝置和井下傳感器組成。

圖3 煤礦變壓器監控系統總體架構Fig.3 Overall architecture of coal mine transformer monitoring system

煤礦變壓器監控系統分為地面部分和地下部分。其中，地面部分包括監測中心服務器和監控界面，其數據傳輸依靠TCP/IP協議；井下部分主要由通信模塊和傳感器組成。監測裝置主要由高速采集卡和DSP處理器構成；工控機主要實現變壓器狀態評估和故障診斷等功能。

3 系統硬件結構

根據整個設計需求，煤礦變壓器監控系統的硬件部分主要包括2部分：①采用采集卡來完成高速信號的采集處理，高速信號模塊將傳感器采集的信息傳輸到TMS320F2812的片內I/O模塊；②以TMS320F2812型CPU為核心，對中低速信號進行采集處理，將三相的觸頭溫度、鐵芯溫度、溫度、電流、電壓等數據，利用信號傳輸電路和溫度傳感器傳輸給TMS320F2812的片內AD模塊。

煤礦變壓器監控系統硬件結構如圖4所示。

圖4 煤礦變壓器監控系統硬件結構Fig.4 Hardware structure of coal mine transformer monitoring system

系統硬件部分主要由最小系統結構、外部擴展存儲器接口電路、電壓電流調理電路、溫度信號采集電路、鐵芯漏電流采集電路等構成。

(1)DSP最小系統結構。DSP最小系統結構主要由JTAG接口電路、復位電路、時鐘電路、電源電路構成。

(2)外部擴展存儲器接口電路。主要由1個寫控制線、1個讀控制線、1個片選信號、16位數據線、19位地址線組成。

(3)電壓電流調理電路。電壓電流調理電路分為電壓調理電路和電流調理電路。①電壓調理電路采用電壓互感器為系統提供電壓信號，一次電壓互感器采用JSZW3-10型電壓互感器，二次電壓互感器采用SPT204A型電壓互感器。②電流調理電路采用電流互感器為系統提供電流信號，一次電流互感器采用5 A/1 A型穿心式電流互感器，二次電流互感器采用SCT254FK型電流互感器。

(4)溫度信號采集電路。本文選用Pt100熱電偶式傳感器，用于溫度信號的監控，芯片采用XTR105芯片，將0～200 ℃的溫度轉化為4～20 mA的電流信號。

(5)鐵芯漏電流采集電路。本文采用精密電流互感器，用于電信漏電信號的監測，信號利用漏電流調理電路轉換后，傳輸到AD采樣模塊進行采集。

4 系統軟件設計

根據煤礦變壓器監控系統功能需求，系統軟件主要由故障診斷、運行狀態評估、信號預處理和采集與顯示等模塊構成，煤礦變壓器監控系統軟件結構如圖5所示。

圖5 煤礦變壓器監控系統軟件結構Fig.5 Software structure of coal mine transformer monitoring system

4.1 監控系統主程序設計

監控系統主程序設計如圖6所示。

圖6 監控系統主程序設計Fig.6 Monitoring system main program design

在系統得電復位之后，CPU先檢查本身工作環境及前提條件，實現初始化，按照主程序來執行各個模塊。當主程序在運行過程中，遇到判斷模塊時，需要滿足條件，才能進行中斷，并調用該模塊。

4.2 監控系統數據傳輸模塊設計

監控系統數據傳輸系統采用RS495串口通信，把數據傳輸到工控機中，對數據進行進行分析處理，傳輸到服務器上，最后將數據處理結果顯示的工控機人機界面上(圖7)。

圖7 發送與接收子程序流程Fig.7 Sending and receiving subroutine flow

4.3 監控系統人機界面設計

為了便于直觀的了解礦用變壓器運行狀況及工作參數，采用LabVIEW軟件對監控系統人機界面進行了設計(圖8)。

圖8 狀態檢測界面Fig.8 Status detection interface

人機界面主要由登錄界面、信息交互界面和狀態檢測界面構成。

5 結論

文章對煤礦變壓器故障進行了分析，并設計了監控系統，礦用變壓器常見故障主要有鐵芯故障和繞組故障，礦用變壓器狀態評估參數主要為電氣試驗、運行工況、運行環境，設計了煤礦變壓器監控系統總體架構，并分析了系統的硬件部分和軟件部分。研究為礦用變壓器監控提供了技術支持。