礦用供電系統故障模型及診斷方法研究

周建軍

（山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030024）

引言

礦用供電系統主要包括地面變電所、井下中央變電所與采區變電所，滿足井下生產與運輸等系統的用電需求。井下地質環境復雜，供電系統多處于瓦斯、煤塵與潮濕等惡劣環境下，影響供電系統的可靠性，所以礦井供電系統故障時有發生，如不能及時做出診斷與處理，通常會引發嚴重的安全事故，影響煤礦正常的生產運營，甚至造成人員傷亡。隨著技術革新，礦井供電系統愈發復雜，故障信息難以及時有效識別，無法及時做出診斷與決策，導致了事故進一步擴大。因此，研究礦井系統故障模型與診斷方法，實現故障點的精準識別與故障類型的快速診斷對煤礦安全供電具有重要意義。

1 礦井供電系統故障

礦井供電系統一般由地面變電所、井下中央變電所與采區移動變電所組成。井下供電系統主要的故障類型包括電氣設備故障、電纜及連接器故障、采區移動變電所故障與控制柜故障。

電氣設備故障包括：漏電故障，由于材料絕緣老化、高壓擊穿等，設備內部線路或部件發生絕緣破損，材料表面出現爬電現象；短路故障，內部部件絕緣失效導致電弧放電，設備過載內部線路異常發熱，導致設備短路。電纜及連接器故障主要由環境因素、自身質量與外部應力導致。井下環境潮濕，電纜外部絕緣層遭到腐蝕老化，導致線路漏電。電纜遭到外部鋼架或其他重物擠壓磨損，導致絕緣層脫落引發線路故障。采區移動變電所的主要設備為干式變壓器，常用等級為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 供電系統故障模型

為了實現礦井供電系統故障的診斷與識別，應當建立一種故障模型，用來描述系統故障類型及原因等，方便系統準確、快速地診斷。故障樹是一種樹狀的邏輯關系圖，可描述各事件之間的因果關系，將采集到的信息作為"因"，故障類型作為"果"，通過故障樹模型進行求解，建立因果關系。

故障樹中，將系統故障狀態作為分析目標，設定于故障樹頂端，稱為頂事件，常為矩形表示。基本事件設定于底部，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。在供電系統故障樹中，故障失效狀態為頂事件，失效原因為底事件，失效模式為中間事件，各事件之間通過邏輯符號連接[1-2]。

本文通過分析供電系統故障類型，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，下文將以采區移動變電所故障中的干式變壓器故障G4 為例，詳細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、繞組松動與變形等。繞組匝間絕緣層存在氣隙，線圈遭受長期電壓沖擊造成短路現象。繞組受到外部應力作用，匝間絕緣發生破損，造成繞組短路。變壓器自身長期輻射發熱，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、多點接地。鐵芯表面存在毛刺，造成鐵芯間短路。井下環境潮濕，變壓器外殼內部凝結水珠，表面腐蝕。鐵芯以多點接地故障為主，造成內部過熱，硅鋼片等部件絕緣老化，造成鐵芯接地片斷裂。干式變壓器為復雜電氣系統，由多種子系統組成的多層次電氣設備，故障類型及故障源關系復雜，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。根據對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 供電系統故障診斷系統

4.1 系統總體結構

上文對礦井供電系統的故障類型及機理進行了分析，為了實現供電系統的故障診斷，還需建立監測系統。故障監測系統的總體結構如圖5 所示，系統包括地面監控中心、礦井光纖網絡、故障診斷控制器與終端采集設備等[3-4]。

圖5 供電系統故障診斷系統總體結構

故障診斷系統中上位機負責參數的實時顯示與預警功能，通過顯示終端，以柱狀圖、趨勢圖與表格等形式向工作人員提供信息。系統包括各類傳感器設備，采集供電系統的各類運行參數，用于故障診斷。如溫度信號可較好反應干式變壓器的工作狀態，通過溫度伏安法建立溫度與電壓、電流的數學模型，通過溫度變化規律，判斷干式變壓器運行狀態。

故障診斷控制器為系統的下位機，包括核心處理器、信號采集模塊、存儲器與電源等外部電路，負責信號的采集與實時處理，通過井下環網將信號傳輸到地面監控中心。控制器選用DSP 處理器，采用哈弗結構，指令處理速度小于10 ns，信號采樣頻率最高10 MHz。

故障診斷系統采用模糊理論，通過對各運行參數建立隸屬函數，確定其對各故障信息的模糊程度，根據隸屬函數計算得到參數的隸屬度。如變壓器溫度的隸屬函數為u（x），x 表示溫度大小，當溫度為x0時，隸屬度為u（x0）。建立起的模糊理論可反應參數與故障類型的程度或關系。

4.2 系統軟件總體方案

故障診斷系統包括狀態監測、信息融合、故障判斷三個部分。狀態監測部分包括信號采集、數據預處理以及數據通信等功能，將信號濾波與提取后傳輸到控制器。信息融合部分以供電系統故障機理為基礎，將采集到的信號進行特征提取與信息統合，實現采集信息的有效分類，方便故障類型的區分。故障判斷通過算法將各特征參數作為數據輸入，實現供電系統多設備與多部件的故障診斷與安全監測。故障診斷系統采用神經網絡理論，對各采集信息進行數據處理與統合，通過LabVIEW 平臺對DSP 內部程序進行編寫，并設計控制器及上位機的系統界面[5-8]。

5 結語

針對供電系統建立的故障診斷系統，通過傳感器采集供電系統運行參數，進行數據分析與融合，評估故障類型，并通過故障樹建立邏輯關系，可實現供電系統的故障診斷，并判斷引起故障的原因，及時進行維護，降低事故擴散范圍，保證供電系統安全穩定運行。