周建军

（山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024）

引言

矿用供电系统主要包括地面变电所、井下中央变电所与采区变电所，满足井下生产与运输等系统的用电需求。井下地质环境复杂，供电系统多处于瓦斯、煤尘与潮湿等恶劣环境下，影响供电系统的可靠性，所以矿井供电系统故障时有发生，如不能及时做出诊断与处理，通常会引发严重的安全事故，影响煤矿正常的生产运营，甚至造成人员伤亡。随着技术革新，矿井供电系统愈发复杂，故障信息难以及时有效识别，无法及时做出诊断与决策，导致了事故进一步扩大。因此，研究矿井系统故障模型与诊断方法，实现故障点的精准识别与故障类型的快速诊断对煤矿安全供电具有重要意义。

1 矿井供电系统故障

矿井供电系统一般由地面变电所、井下中央变电所与采区移动变电所组成。井下供电系统主要的故障类型包括电气设备故障、电缆及连接器故障、采区移动变电所故障与控制柜故障。

电气设备故障包括：漏电故障，由于材料绝缘老化、高压击穿等，设备内部线路或部件发生绝缘破损，材料表面出现爬电现象；短路故障，内部部件绝缘失效导致电弧放电，设备过载内部线路异常发热，导致设备短路。电缆及连接器故障主要由环境因素、自身质量与外部应力导致。井下环境潮湿，电缆外部绝缘层遭到腐蚀老化，导致线路漏电。电缆遭到外部钢架或其他重物挤压磨损，导致绝缘层脱落引发线路故障。采区移动变电所的主要设备为干式变压器，常用等级为10 kV 与6 kV，通常干式变压器的故障分为绕组故障与铁芯故障。

2 供电系统故障模型

为了实现矿井供电系统故障的诊断与识别，应当建立一种故障模型，用来描述系统故障类型及原因等，方便系统准确、快速地诊断。故障树是一种树状的逻辑关系图，可描述各事件之间的因果关系，将采集到的信息作为"因"，故障类型作为"果"，通过故障树模型进行求解，建立因果关系。

故障树中，将系统故障状态作为分析目标，设定于故障树顶端，称为顶事件，常为矩形表示。基本事件设定于底部，称为底事件，常为圆心表示。顶事件与底事件之间为中间事件，常为矩形表示。在供电系统故障树中，故障失效状态为顶事件，失效原因为底事件，失效模式为中间事件，各事件之间通过逻辑符号连接[1-2]。

本文通过分析供电系统故障类型，建立故障树模型，如图1 所示，各因素解释说明如下页表1 所示。图中故障树模型为其中一部分，下文将以采区移动变电所故障中的干式变压器故障G4 为例，详细分析故障类型及因素。

表1 故障树各因素解释说明

图1 矿井供电系统故障树模型示意图

3 干式变压器故障模型

干式变压器的故障主要包括两类：绕组故障与铁芯故障。绕组故障可分为绕组层间、匝间短路、绕组断路、绕组松动与变形等。绕组匝间绝缘层存在气隙，线圈遭受长期电压冲击造成短路现象。绕组受到外部应力作用，匝间绝缘发生破损，造成绕组短路。变压器自身长期辐射发热，造成局部温度过高、绝缘材料老化。

铁芯故障主要类型包括：铁芯接地不良、铁芯间短路、多点接地。铁芯表面存在毛刺，造成铁芯间短路。井下环境潮湿，变压器外壳内部凝结水珠，表面腐蚀。铁芯以多点接地故障为主，造成内部过热，硅钢片等部件绝缘老化，造成铁芯接地片断裂。干式变压器为复杂电气系统，由多种子系统组成的多层次电气设备，故障类型及故障源关系复杂，常常交织在一起，具有不确定性。造成干式变压器故障的主要原因包括：过电压、过电流、高温与局部放电等。根据对干式变压器的故障分析，建立故障树模型如图2、图3 与图4 所示。

图2 干式变压器故障树模型

图3 绕组故障树模型

图4 铁芯故障树模型

4 供电系统故障诊断系统

4.1 系统总体结构

上文对矿井供电系统的故障类型及机理进行了分析，为了实现供电系统的故障诊断，还需建立监测系统。故障监测系统的总体结构如图5 所示，系统包括地面监控中心、矿井光纤网络、故障诊断控制器与终端采集设备等[3-4]。

图5 供电系统故障诊断系统总体结构

故障诊断系统中上位机负责参数的实时显示与预警功能，通过显示终端，以柱状图、趋势图与表格等形式向工作人员提供信息。系统包括各类传感器设备，采集供电系统的各类运行参数，用于故障诊断。如温度信号可较好反应干式变压器的工作状态，通过温度伏安法建立温度与电压、电流的数学模型，通过温度变化规律，判断干式变压器运行状态。

故障诊断控制器为系统的下位机，包括核心处理器、信号采集模块、存储器与电源等外部电路，负责信号的采集与实时处理，通过井下环网将信号传输到地面监控中心。控制器选用DSP 处理器，采用哈弗结构，指令处理速度小于10 ns，信号采样频率最高10 MHz。

故障诊断系统采用模糊理论，通过对各运行参数建立隶属函数，确定其对各故障信息的模糊程度，根据隶属函数计算得到参数的隶属度。如变压器温度的隶属函数为u（x），x 表示温度大小，当温度为x0时，隶属度为u（x0）。建立起的模糊理论可反应参数与故障类型的程度或关系。

4.2 系统软件总体方案

故障诊断系统包括状态监测、信息融合、故障判断三个部分。状态监测部分包括信号采集、数据预处理以及数据通信等功能，将信号滤波与提取后传输到控制器。信息融合部分以供电系统故障机理为基础，将采集到的信号进行特征提取与信息统合，实现采集信息的有效分类，方便故障类型的区分。故障判断通过算法将各特征参数作为数据输入，实现供电系统多设备与多部件的故障诊断与安全监测。故障诊断系统采用神经网络理论，对各采集信息进行数据处理与统合，通过LabVIEW 平台对DSP 内部程序进行编写，并设计控制器及上位机的系统界面[5-8]。

5 结语

针对供电系统建立的故障诊断系统，通过传感器采集供电系统运行参数，进行数据分析与融合，评估故障类型，并通过故障树建立逻辑关系，可实现供电系统的故障诊断，并判断引起故障的原因，及时进行维护，降低事故扩散范围，保证供电系统安全稳定运行。