煤矿采区供电系统关键元件故障的诊断研究

李玉红

（山西朔州山阴兰花口前煤业有限公司， 山西 朔州 036900）

引言

矿井工作面里所有电气设备的供电均由采区变电所提供，采区移动变压器将高压电降压后，再将其传输给负载。采区变电所给掘进、采煤、排水、运输设备提供用电，因为这些负载分布不一，又长期处在煤尘、瓦斯等复杂工况下，矿井地质环境恶劣，造成供电系统无法稳定运行[1-3]。实际生产时，采区变压器、设备、供电系统电路等会经常有故障发生，会对煤矿正常生产造成不良影响，严重时会发生瓦斯超限事故，并且发生人员伤亡事故[4]。目前煤矿因配备较多自动装置，自动化程度高，所以，矿井供电系统发生故障时，要及时从调度中心接收到的报警信息、故障信息与断路器动作信息中识别供电系统故障是十分困难的，会对煤矿正常生产造成不良影响，且故障元件维修与更换的不及时，会造成安全风险，因此，需要对供电系统关键元件诊断系统进行改造。

1 系统关键部件的故障诊断机理

诊断器检测电气元件的信号，并对信号进行提取与处理，当发现信号与正常工作的信号不一致时，立即对设备的运行状态进行甄别。如果诊断是异常状态，终端设备上就会显示需进行维修，以实现对设备的故障诊断，见图1。

图1 系统关键部件的故障诊断机理

通常使用DSP 芯片对供电系统的元件进行故障诊断。经第一变换后的系统电流与电压，再经隔离、变换与低频滤波，A/D 转换器会接收到该信号，最后DSP 芯片会接收到经相变获得的数字信号。对真空断路器里的各路信号进行检测，使用滤波调节器对信号进行滤波，再将信号传至DSP 芯片，线路里的电流信号与电压信号也要传至DSP 芯片，将工作正常的关键部件和相关技术参数结合起来，芯片对其进行判断，这个过程就是供电系统部件的故障诊断机制。该方法拥有使用方便、效率高、易操作、成本低廉等优点。

2 关键部件故障的诊断

2.1 线路元件故障的诊断

表1 是以采区供电系统线路元件L1 的诊断实例列出的L1 保护名称和其配套断路器。

表1 元件L1 保护名称与配套断路器

依据线路元件故障诊断的模型，DSP 芯片可以对线路故障进行精准判断，并及时切断线路。如果短路发生在线路L1 中，如下数字信号会被DSP 芯片识别：

式中：L1 是线路元件名；M0 是线路元件的故障；CB1、CB2 是断路名称。

依据线路元件L1 故障诊断的模型，DSP 芯片对线路故障进行分析判断，判断L1 是故障态，并且进行故障报警。主保护RL1A 执行动作，保护器执行指令，CB1 跳闸进而切除掉故障。线路L1 为双保险，即断路器CB2 也跳闸。下页表2 是线路元件L1的诊断结果。

2.2 母线元件故障的诊断

该元件诊断机理和线路元件的诊断大致相同。即依据元件故障诊断的模型，DSP 芯片对线路故障进行精准判断后，使断路器执行对应保护动作。

分析采区母线故障诊断后，发现母线有三级保护，分别是主保护、一级、二级后备保护。母线与线路元件的数字信号虽然不太一样，但是断路器的执行动作是一样的。诊断器检测元件的信号，并对信号进行提取与处理，如果诊断是异常状态，则主保护执行动作，并且断路器对故障进行切除。

表2 L1 线路元件诊断结果

2.3 变压器故障的诊断

采区变压器采取的是油浸的方式，在CH4、H2、C2H2、C2H6这5 种气体里溶解。评判诊断变压器工作的一个标准就是各个气体所占百分比。变压器输出层数据是高温过热、气体含量、中低温过热、低能量放电与高能量放电这五大类。经DSP 芯片分析判断后，则输出0 或1 以区分故障类型。若输出是1，则表示采区变压器发生过此类故障，若输出是0，就表示为其他故障。中枢处理系统会对各个类别的数值进行设置，越接近某个数，就表示是该故障的可能性越大。

如果变压器出现过热故障，不管是低温还是高温过热，诊断器都只会输出大于0 的值，并且低能量与高能量放电也只会输出大于0 的值，因两种过热现象与两种放电现象不会同时发生，但会同时发生放电与过热这两种情况，也会出现输出大于0 的值。

3 工程实践

由变压器、线路、馈出负荷以及母线顺序连接形成了口前煤矿供电系统，经过现场对一采区的供电系统相关故障进行检测，验证故障诊断方法的效果。

3.1 线路元件故障的诊断实践

线路L1 的短路故障被监测到之后，会马上作出响应，主保护RL1A 开始动作，断路器CB1 接收到跳闸指令后进行动作，此时该故障就会反馈到终端，负责检修的技术人员会对该线路进行断电整修；线路L2 的短路故障被监测到之后，主保护RL1B 立即执行动作，断路器CB2 不动作，一级后备保护RL1C 对故障进行切除。

3.2 母线元件故障的诊断实践

母线L0 短路被诊断器检测到，DSP 芯片启动，主保护R 被控制级命令动作，一级后备保护RB0启动，断路器CB0 不动，为切除故障，断路器RCB0断开，并将母线L0 发生短路故障的信息就会显示在终端，维修人员看到后立即对其进行整修。

3.3 变压器故障的诊断实践

供电系统工作时，移动变压器的故障被监测到之后，终端会显示数值1，即表示变压器出现高温过热、气体含量、高能量与低能量放电、中低温过热等故障，然后技术人员对这些故障进行排查。若数值是0，技术人员通过排查确定移动变压器T1 发生短路，此方法达到预定目标，变压器的故障被诊断器精准地诊断出。