矿用高压配电装置故障识别系统设计及应用

曹明东

（山西朔州平鲁区茂华东易煤业有限公司，山西朔州 036800）

0 引言

随着时代的不断发展，煤矿对井下配电所的要求越来越高[1]。其中，矿井高压配电装置是矿井供电电路中非常重要的构成部分，其作用是为井下各类机电设备进行电能分配[2]。高压配电装置运行过程的安全性和可靠性对整个供电网络的可靠运行有直接影响，甚至会威胁到矿井的安全生产[3]。当前井下机电设备都朝着大型化和重型化方向发展，使得其功率越来越高，导致矿井的电压等级和负荷容量均出现了明显的上升[4-5]。这对高压配电装置的性能提出了更高的要求。由于矿井工作环境比较复杂，且负荷会存在比较大的变化，高压配电装置在使用时经常出现各类故障问题，对采煤过程的连续性造成了不良影响[6-7]。基于此，有必要设计矿用高压配电装置的故障识别系统，对其运行过程中的各类安全隐患进行有效的判断与识别[8]。

为了确保矿用高压配电装置的运行安全性，赵鹏云[9]在原有的高压配电装置系统基础上，增加设置了远程监控和操作系统，这种方式能够在一定程度上提升装置的运行安全性，但不能从根本上解决问题。部分学者针对装置在煤矿运行过程中的常见故障问题及其检测方法进行了切合实际的分析与研究。比如，王超[10]结合煤矿生产实际，在充分分析高压真空配电装置常见故障问题的基础上，设计研究了针对性的故障检测方法及其对应的显示系统，在工程实践中取得了很好的应用效果。赵钰[11]在分析高压配电装置不同故障类型特征的基础上，同样设计了针对性的识别方法，效果较好。本文在充分借鉴上述研究成果的基础上，结合煤矿实际情况，设计研究了矿用高压配电装置故障识别系统，对于保障矿井安全生产具有重要的实践意义。

1 高压配电装置结构及常见故障

图1所示为矿用高压配电装置的现场图片。由于煤矿环境比较特殊，矿用高压配电装置与其他使用环境相比较有其特殊之处。首先矿用高压配电装置必须要配套使用防爆外壳，作用是将其与外界进行隔离。其次，灭弧室结构的距离以及类型需要充分结合煤矿的电压等级和负载大小来合理设置。由于煤矿工作环境较为复杂，高压配电装置在使用时容易出现各类故障问题。可以将这些故障划分成为3大类型，分别为机械故障、电气故障和绝缘故障，上述3类故障问题出现的比例分别为35%、30%和35%左右。对高压配电装置故障问题产生的原因进行深入分析，发现这些故障问题与装置的7种状态信息之间存在紧密联系，分别为振动、位移、线圈电流、触头温度、储能电容电压、电流和灭弧室真空度。因此，在设计故障识别系统时，只需要对上述7种状态信息进行实时监测，就可以判断装置是否存在安全隐患。

图1 矿用高压配电装置现场

2 故障识别系统的硬件设计

2.1 硬件的整体结构

图2所示为故障识别系统的硬件结构。由图可知，整个硬件结构可以划分成为两部分，分别为上位机部分和下位机部分。其中下位机部分主要是各类传感器和监测装置，通过传感器对高压配电装置的7类状态信息进行详细监测，利用监测装置对检测到的数据信息进行滤波处理。上位机部分主要包括工控机、系统中心服务器和显示器，作用是对监测得到的数据信息进行分析、存储并显示。可以看出，下位机部分主要负责矿用高压配电装置运行状态数据信息的采集，而上位机部分则主要负责数据信息的分析与处理，两者的功能相互补充，缺一不可。它们之间通过RS-480实现数据信息的交互。

图2 故障识别系统的硬件结构

2.2 传感器的选型

如何及时准确地获取矿用高压配电装置的运行状态数据信息，是故障识别系统运行精确性的关键所在，因此对传感器的要求相对较高。传感器是所有硬件设施中最为关键的部分，其性能好坏直接决定了数据信息获取的速度和精度。以下对主要的传感器进行选型与设计。

（1）电信号传感器

在充分结合矿用高压配电装置实际使用情况的基础上，选用的电信号传感器主要包含两类，分别为电压霍尔传感器和电流霍尔传感器，具体型号分别为VSM200D和CSMO30SY，以上两个传感器都需要DC 15 V电压进行供电。电压传感器可以检测的电压在200 V以内，对应输出的检测电流信号值为4～20 mA；电流传感器可以检测的电流在30 A以内，对应输出的检测电流信号值为4～20 mA。而需要检测的电压和电流分别为0～180 V和0～25 A，完全能够满足实际使用需要。

（2）位移传感器

选用的是YHL50型精密电阻式位移传感器，优势在于测量精度高、可对曲线位移进行测量、输出的电压信号具有很好的线性关系，线性度可以控制在5%范围内，方便后续信号的分析与处理。对于50 mm以内的位移均可以准确测量，输出的测量信号为0～5 V的电压。会避免测量误差，必须严格按照规范标准对传感器进行安装。

（3）振动传感器

分合闸时三相触头会出现明显的振动情况，如果振动过于强烈，会导致高压配电装置出现故障问题，需要利用振动传感器对三相触头的振动情况进行实时监测。结合实际情况选用的是LC0159型压电加速度传感器，该型号传感器具有非常高的性价比，在工业领域得到了很好的应用，整个测试过程比较简单，可有效规避外界对测量过程造成的不良影响。对于加速度在500g范围内的加速度均可以准确测量。

3 故障识别系统的软件设计

3.1 软件的整体结构

图3所示为故障识别系统软件整体结构。硬件是实现故障识别系统的基础，软件是实现系统功能的灵魂，其作用是对所有的硬件设施进行整合连接，完成数据信息的采集、传输、存储与分析。根据硬件结构特征，软件部分同样可以划分成为两部分，分别为上位机部分和下位机部分。其中上位机软件部分的作用是对数据信息进行采集、滤波与传输，上位机软件部分则主要是对采集得到的数据信息进行调理，并对故障特征进行提取与识别，还需要将数据进行存储并显示。考虑到下位机和上位机的软件部分功能存在一定差异，因此需要利用不同的平台来编程实现。其中，下位机软件部分主要在DSP最小系统中通过C语言进行编程实现，而上位机则主要是在LABVIEW平台上进行编程实现。

图3 故障识别系统软件整体结构

3.2 上位机部分工作流程

软件结构的上位机部分是比较关键的构成部分。由上位机来决定是否开启传感器对高压配电装置的状态信息进行采集。如果确定需要采集，则由上位机下达采集指令，各传感器和通信网络开始工作。上位机接受状态数据信息并基于内置的处理程序对采集得到的数据信息进行分析处理，以判断高压配电装置的工作状态是否存在安全隐患。同时将采集得到的数据信息存储到系统中心服务器中，以便后期对数据信息进行调取查看。采集得到的数据信息以及最终的分析结果都需要在显示器中进行显示，以便工作人员查看。若通过分析识别发现高压配电装置存在安全隐患，则会发出声光警报，以提示工作人员及时进行处理，保障供电网络的安全。

4 故障识别系统的实践应用分析

将设计的矿用高压配电装置故障识别系统应用到煤矿工程实践中。安装完成后，对其各项功能进行了测试，发现所有的传感器均能对高压配电装置的状态信息进行准确采集，并通过网络传输到上位机信息处理系统中进行分析处理，整个工作全部正常。调试完毕后将其应用到矿井变电所中运行，图4所示为高压配电装置故障识别系统的现场应用情况。对故障识别系统的实践应用情况进行了连续6个月时间的观察，发现系统运行良好，能够及时准确地对高压配电装置各类状态信息进行采集并分析，从而发现潜在的安全隐患，取得了很好的实践应用效果。在很大程度上提升了矿井供电系统的安全与可靠性，取得了很好的安全效益。另外，矿井供电网络可靠性的提升，有效保障了采煤过程的连续性，为煤矿企业创造了良好的经济效益。

图4 高压配电装置故障识别系统应用现场

5 结束语

高压配电装置是矿井供电系统中非常重要的构成部分，其运行过程的可靠性和稳定性对采煤过程的连续性有非常重要的影响。在充分结合煤矿工程实践的基础上，设计研究了矿用高压配电装置的故障识别系统。系统主要利用各类传感器对装置的运行状态数据信息进行实时监测，并基于内置的软件程序对采集得到的数据信息进行分析处理识别。能够及时准确地发现高压配电装置运行过程中存在的安全隐患问题，并及时采取措施进行处理，避免小问题引发大安全事故。故障识别系统的成功实践应用，显著提升了矿井供电系统的安全程度，为采煤过程的连续性奠定了良好的基础，取得了很好的安全效益和经济效益。