礦用高壓配電裝置故障識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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(shí)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(jī)電設(shè)備進(jìn)行電能分配[2]。高壓配電裝置運(yùn)行過程的安全性和可靠性對整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)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(jī)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(fù)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(fù)荷會存在比較大的變化，高壓配電裝置在使用時(shí)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]。基于此，有必要設(shè)計(jì)礦用高壓配電裝置的故障識別系統(tǒng)，對其運(yùn)行過程中的各類安全隱患進(jìn)行有效的判斷與識別[8]。

為了確保礦用高壓配電裝置的運(yùn)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(yuǎn)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(yùn)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(yùn)行過程中的常見故障問題及其檢測方法進(jìn)行了切合實(shí)際的分析與研究。比如，王超[10]結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)際情況，設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(fù)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(shí)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(jī)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(jìn)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(jì)故障識別系統(tǒng)時(shí)，只需要對上述7種狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)

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(gè)硬件結(jié)構(gòu)可以劃分成為兩部分，分別為上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。其中下位機(jī)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(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測，利用監(jiān)測裝置對檢測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濾波處理。上位機(jī)部分主要包括工控機(jī)、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(jìn)行分析、存儲并顯示。可以看出，下位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)礦用高壓配電裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集，而上位機(jī)部分則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的分析與處理，兩者的功能相互補(bǔ)充，缺一不可。它們之間通過RS-480實(shí)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(shí)準(zhǔn)確地獲取礦用高壓配電裝置的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，是故障識別系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行選型與設(shè)計(jì)。

（1）電信號傳感器

在充分結(jié)合礦用高壓配電裝置實(shí)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(gè)傳感器都需要DC 15 V電壓進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行安裝。

（3）振動傳感器

分合閘時(shí)三相觸頭會出現(xiàn)明顯的振動情況，如果振動過于強(qiáng)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)合實(shí)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(jià)比，在工業(yè)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，整個(gè)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(jì)

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(shí)現(xiàn)故障識別系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的靈魂，其作用是對所有的硬件設(shè)施進(jìn)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(jī)部分和下位機(jī)部分。其中上位機(jī)軟件部分的作用是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、濾波與傳輸，上位機(jī)軟件部分則主要是對采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)理，并對故障特征進(jìn)行提取與識別，還需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并顯示。考慮到下位機(jī)和上位機(jī)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(shí)現(xiàn)。其中，下位機(jī)軟件部分主要在DSP最小系統(tǒng)中通過C語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，而上位機(jī)則主要是在LABVIEW平臺上進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

圖3 故障識別系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)

3.2 上位機(jī)部分工作流程

軟件結(jié)構(gòu)的上位機(jī)部分是比較關(guān)鍵的構(gòu)成部分。由上位機(jī)來決定是否開啟傳感器對高壓配電裝置的狀態(tài)信息進(jìn)行采集。如果確定需要采集，則由上位機(jī)下達(dá)采集指令，各傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)開始工作。上位機(jī)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(bào)，以提示工作人員及時(shí)進(jìn)行處理，保障供電網(wǎng)絡(luò)的安全。

4 故障識別系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用分析

將設(shè)計(jì)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(shí)踐中。安裝完成后，對其各項(xiàng)功能進(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)確采集，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)信息處理系統(tǒng)中進(jìn)行分析處理，整個(gè)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(yùn)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(shí)踐應(yīng)用情況進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)月時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對高壓配電裝置各類狀態(tài)信息進(jìn)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(shí)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(jì)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(yùn)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(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行分析處理識別。能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)高壓配電裝置運(yùn)行過程中存在的安全隱患問題，并及時(shí)采取措施進(jìn)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(shí)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(jì)效益。