煤矿变电所故障诊断与监测系统设计

2020-11-27孙国栋

机电工程技术 2020年10期

孙国栋

（山西煤炭进出口集团洪洞恒兴煤业有限公司，山西临汾 041600）

0 引言

随着生产技术的改革进步，煤矿供电系统的负载单元逐渐增多，对供电系统的稳定性与安全性提出了更高的要求[1]。目前，煤矿地面变电所主要负责矿井提升机、主通风机、矿井电车、洗煤厂与排数泵等设施的供电需求，其中矿井提升机为一级供电[2]。为了保障各设备的供电安全与稳定，一些煤矿每班都设有值班人员，浪费了人力资源，并与高效生产与安全生产的理念相悖[3]。因此，建立一种变电所故障诊断与监测系统，采用传感器对设备的运行参数进行采集，利用计算机处理数据，以网络传输信号，实现变电所的实时监测功能，保障供电系统的安全性[4-5]。

1 监测系统与保护方式

1.1 监测系统方案

本文所设计变电所监测系统可采集其各工作参数，通过以太网与其他设备交流信息，在上位机显示界面进行实时监测。监测系统设计时遵循3个原则：（1）准确性，传感器采集数据时，将非电信号转换为电信号，为了保证数据的真实性，应选用误差范围小的传感器；（2）实时性，监控系统的数据传输与处理应当及时高效；（3）稳定性，变电所环境中，环境腐蚀与电磁干扰不可忽略，应当定期对系统硬件设施巡检。

系统的整体方案如图1 所示，主要由处理器单元、上位机和各信号检测装置组成。系统上位机界面需具有图形编辑功能，根据使用者需求对原图形进行修改；需实时显示变电所的各个工作参数等，可通过界面对系统参数进行更改与操作。信号检测装置包括电参数测量模块、温湿度传感器、水浸传感器与SF6检测装置等。系统中各检测模块独立运行，单个开关控制单个设备，相互独立。

图1 监测系统的整体结构设计

1.2 保护方式

变压器作为变电所关键设备，变压器的正常运行关系到整个煤矿供电系统的稳定性与井下生产的安全性。部分煤矿的变压器安装于室外，会出现雷击与元件接触不良等现象，造成负载短路、过电流与过电压等故障。系统采用电压差动保护法：在变压器的高压侧与低压侧安装2个相同规格的电流互感器，当变压器正常工作时，高压侧与低压侧两端的电流大小相等，方向相反，经过继电器的电流为0，继电器不发生动作；当变压器发生故障时，高压侧与低压侧电流平衡关系遭到破会，有电流流过继电器，继电器动作。

2 监测系统硬件选型设计

2.1 处理器单元

本文选用的处理器为常见的ARM 处理器，具有价格低、功耗低、体积小等优点，具体型号为某公司生产的S3C2440AL 处理器。S3C2440AL 处理器基于以太网通讯系统设计，是一款高性能的32RISC 微处理器，主频最高可达533 MHz，具有64 M字节闪存[6]。

处理器单元中除了微控制器外，还包括电源电路、复位电路、时钟电路、键盘电路、串口通信电路与外部存储电路等。S3C2440AL 核心电路板需要1.8 V 电压供电，I/O 口需要3.3 V电压供电，模数转换模块需要±12 V电压供电[7-8]。

2.2 数据采集模块

数据采集模块主要包括温度传感器、湿度传感器、水浸传感器、SF6检测装置与模数转换器等。系统温度传感器测量变电所油箱内温度信号，本文选用DS18B20 数显温度传感器，具有体积小、使用简单的优点，可测量狭小空间内的温度信号。湿度传感器安装于主控室与变电所中，用于测量环境湿度百分比。本文选用SHT85 型数字湿度传感器，其测试精度为±1.5%，工作温度-40～100 ℃。水浸传感器安装于系统电缆沟两侧，选用卡轨壳水浸传感器，采用交流检测技术，可有效避免电缆等设备浸水所引发的故障。SF6为一种无色、无毒的稳定气体，具有良好的绝缘性质，被广泛应用于高压电气设备中的绝缘介质。SF6检测装置安装于变电所绝缘设备附近，用于检测绝缘介质是否泄露，常用的电火花电离法与红外吸收法等物理方法使用范围有限，无法满足系统需求，本文采用电化学检测方法，通过将气体裂解后检测生成物的方式，测量空气中SF6气体的浓度。

温度、湿度等模拟量信号无法直接被处理器识别，需要先将其转换为数字信号，即模数转换的过程。S3C2440AL处理器内部设置有8 通道，10 位模数转换器，所以不需要设计外置模数转换芯片，但由于内置输入带宽仅为100 Hz，采样频率无法满足，所以需在A/D 前端设置1 个采样保护器。

2.3 电参数信号采集模块

电参数信号采集模块主要对变电所工作过程中的电压、电流等参数进行检测，本文设计的电压信号采集电路如图2所示，输入电压经过电压互感器后，将其送入测量电路，电路利用互感器将交流电压转换为直流电压，从而方便测量，并提高测量精度。直流电压信号经过运算放大器LM1458同比例放大后，流向输出端，输出端的上端设有1个单向二极管，防止输出电压过大，下端设置有1个电容，保证输出电压信号更加平滑。

图2 控制电机电压信号采集电路

3 系统抗干扰措施

变电所处于强电环境，监控系统为弱电装置，所以系统会受到较大的电磁干扰，引起监测结果与保护动作的错误。电磁干扰的主要来源为外部高压线路与内部高压设备，变电所内部断路器等设备动作时会产生脉冲，干扰系统运行的稳定性。

为了抑制和消除电磁带来的干扰，本文结合系统工作环境提出了3 个措施：（1）接地，系统部分装置放置于专用机箱，将机箱与接地网连接，从而屏蔽外部干扰；（2）滤波，当电路开关量突然变化时，电流的改变可能干扰处理器的判断，通常利用光电耦合器实现系统强弱电信号的隔离，采样过程中采样交流采样法，利用滤波电路消除干扰；（3）电路抗干扰，在电源的公共端并联1个大电容与高频电容，抑制对电源电路的干扰，在变电所操作系统的线圈电路上接入RC电路，抵抗继电器开关时造成的脉冲干扰。