煤矿变压器故障分析及监控系统设计

计大威

(上海电子信息职业技术学院，上海 201411)

随着煤矿机械化程度的逐渐发展，煤矿对设备性能的要求也逐渐增加。煤矿干式变压器作为煤矿主要功能设备，其正常运转主要关系着煤矿安全生产。由于煤矿变压器处于复杂恶劣的环境，致使变压器出现设备老化、故障频发等情况。并且由于干式变压器的复杂结构和故障种类的复杂，造成干式变压器温度急剧增加，出现绝缘材料使用寿命的损耗及火灾的发生。现阶段，矿用变压器的故障诊断主要依靠预防性试验和定期检修来实现的，该方法主要依靠检查员的经验实现，不能够对复杂故障做出准确判断[1-4]。针对煤矿变压器故障分析及监控系统需要解决的问题有：①矿用变压器的故障诊断体系的建立；②矿用变压器运行参数的有效采集；③矿用变压器故障和故障原因的关系确立；④数据传输中的电磁干扰问题；⑤相应故障参数的测试精度；⑥矿用变压器监测方法的确定[5-10]。鉴于此，本文研究了煤矿变压器故障分析及监控系统，有助于及时发现矿用变压器故障发生部位，便于设备的维修，提高了矿用变压器供电质量，从而减小了由矿用变压器故障引起的火灾发生概率。

1 煤矿变压器故障及评估结构

1.1 煤矿变压器故障分析

由于矿用变压器长期处于高温度、大湿度、谐波污染程度高、设备密集的环境中，使得矿用变压器影响因素有很多。常见的影响因素[11-14]有：①高温的影响，矿用变压器在运行过程中，会出现耗能发热，导致故障的产生；②过电流的影响，基于电流的热效应，矿用变压器绕组过电流会出现发热现象，致使绕组的绝缘出现老化，引起故障的发生；③过电压的发生，在矿用变压器操作中，会出现谐波过电压、暂态过电压和操作过电压，影响矿用变压器的绝缘水平，有时甚至击穿绝缘层，造成故障的发生。按照事故发生的部位划分，矿用变压器常见故障主要有铁芯故障和绕组故障2类。

(1)铁芯故障。铁芯故障主要表现形式有铁芯片间短路、铁芯接地不良、铁芯多点接地等。根据统计，铁芯故障在矿用变压器故障中占有很大比例。铁芯故障分类如图1所示。

图1 铁芯故障分类Fig.1 Core failure classification

(2)绕组故障。绕组故障的主要原因：①绕组松动造成绝缘受阻；②没有完全干燥，造成绝缘性能不足；③外部负载频繁变化；④绕组的变化造成绕组长期受力；⑤绕组导线的错位造成过电压的发生。绕组故障分类如图2所示。

图2 绕组故障分类Fig.2 Winding fault classification

1.2 矿用变压器状态评估结构

本文采用多种参数融合的方式进行监控系统的设计，矿用变压器状态评估参数见表1。

表1 矿用变压器状态评估参数Tab.1 Condition assessment parameters of mine transformer

2 煤矿变压器监控系统总体架构设计

本文设计的煤矿变压器监控系统应具有功能：①准确性和稳定性；②为了克服外部扰动的影响，应具有一定的抗电磁干扰能力；③可以实时监测变压器的运行状态，并对采集到的信息进行传输、储存和处理；④对变压器进行状态监测和故障实时诊断时，能够不影响变压器正常使用。

煤矿变压器监控系统总体架构如图3所示。系统主要由服务器、服务器终端、监测装置和井下传感器组成。

图3 煤矿变压器监控系统总体架构Fig.3 Overall architecture of coal mine transformer monitoring system

煤矿变压器监控系统分为地面部分和地下部分。其中，地面部分包括监测中心服务器和监控界面，其数据传输依靠TCP/IP协议；井下部分主要由通信模块和传感器组成。监测装置主要由高速采集卡和DSP处理器构成；工控机主要实现变压器状态评估和故障诊断等功能。

3 系统硬件结构

根据整个设计需求，煤矿变压器监控系统的硬件部分主要包括2部分：①采用采集卡来完成高速信号的采集处理，高速信号模块将传感器采集的信息传输到TMS320F2812的片内I/O模块；②以TMS320F2812型CPU为核心，对中低速信号进行采集处理，将三相的触头温度、铁芯温度、温度、电流、电压等数据，利用信号传输电路和温度传感器传输给TMS320F2812的片内AD模块。

煤矿变压器监控系统硬件结构如图4所示。

图4 煤矿变压器监控系统硬件结构Fig.4 Hardware structure of coal mine transformer monitoring system

系统硬件部分主要由最小系统结构、外部扩展存储器接口电路、电压电流调理电路、温度信号采集电路、铁芯漏电流采集电路等构成。

(1)DSP最小系统结构。DSP最小系统结构主要由JTAG接口电路、复位电路、时钟电路、电源电路构成。

(2)外部扩展存储器接口电路。主要由1个写控制线、1个读控制线、1个片选信号、16位数据线、19位地址线组成。

(3)电压电流调理电路。电压电流调理电路分为电压调理电路和电流调理电路。①电压调理电路采用电压互感器为系统提供电压信号，一次电压互感器采用JSZW3-10型电压互感器，二次电压互感器采用SPT204A型电压互感器。②电流调理电路采用电流互感器为系统提供电流信号，一次电流互感器采用5 A/1 A型穿心式电流互感器，二次电流互感器采用SCT254FK型电流互感器。

(4)温度信号采集电路。本文选用Pt100热电偶式传感器，用于温度信号的监控，芯片采用XTR105芯片，将0～200 ℃的温度转化为4～20 mA的电流信号。

(5)铁芯漏电流采集电路。本文采用精密电流互感器，用于电信漏电信号的监测，信号利用漏电流调理电路转换后，传输到AD采样模块进行采集。

4 系统软件设计

根据煤矿变压器监控系统功能需求，系统软件主要由故障诊断、运行状态评估、信号预处理和采集与显示等模块构成，煤矿变压器监控系统软件结构如图5所示。

图5 煤矿变压器监控系统软件结构Fig.5 Software structure of coal mine transformer monitoring system

4.1 监控系统主程序设计

监控系统主程序设计如图6所示。

图6 监控系统主程序设计Fig.6 Monitoring system main program design

在系统得电复位之后，CPU先检查本身工作环境及前提条件，实现初始化，按照主程序来执行各个模块。当主程序在运行过程中，遇到判断模块时，需要满足条件，才能进行中断，并调用该模块。

4.2 监控系统数据传输模块设计

监控系统数据传输系统采用RS495串口通信，把数据传输到工控机中，对数据进行进行分析处理，传输到服务器上，最后将数据处理结果显示的工控机人机界面上(图7)。

图7 发送与接收子程序流程Fig.7 Sending and receiving subroutine flow

4.3 监控系统人机界面设计

为了便于直观的了解矿用变压器运行状况及工作参数，采用LabVIEW软件对监控系统人机界面进行了设计(图8)。

图8 状态检测界面Fig.8 Status detection interface

人机界面主要由登录界面、信息交互界面和状态检测界面构成。

5 结论

文章对煤矿变压器故障进行了分析，并设计了监控系统，矿用变压器常见故障主要有铁芯故障和绕组故障，矿用变压器状态评估参数主要为电气试验、运行工况、运行环境，设计了煤矿变压器监控系统总体架构，并分析了系统的硬件部分和软件部分。研究为矿用变压器监控提供了技术支持。