基于WAMS系統(tǒng)對煤礦高壓電纜故障雙端定位方法研究

張香平

（大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司，山西大同 037042）

0 引言

在煤礦井下對供電系統(tǒng)的要求比較高，同時需要保證質(zhì)量、可靠性和安全性。一旦出現(xiàn)故障，需要及時排除，盡快恢復礦井供電。目前，雖然地面國家電網(wǎng)故障定位技術(shù)較為成熟[1]，然而，在煤礦井下高壓電纜中故障定位技術(shù)還存在一定差距，現(xiàn)今煤礦仍使用人工檢查方法判斷故障點，并不符合智能化電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃[2]，存在效率和安全性低、判斷誤差大等問題。因為煤礦井下巷道空間狹窄，空氣濕度高，這不利于電氣設(shè)備和電纜的保護，它們很容易被碰撞或者因拖拽而造成損壞，電纜絕緣效果變差，常常會出現(xiàn)漏電，影響人員安全，礦井生產(chǎn)。如果故障無法及時消除，甚至造成瓦斯和煤塵爆炸等嚴重事故。在地面數(shù)字化變電站中已經(jīng)開始使用WAMS技術(shù)及IEC61850協(xié)議，在一定程度上促進井下供電配電系統(tǒng)的完善。借鑒這一理論經(jīng)驗技術(shù)，提出基于WAMS雙端行波法對煤礦高壓電纜故障定位，準確識別電纜故障所在位置，為檢修、維護提供有利的技術(shù)保障，這對礦井供電系統(tǒng)來說具有重要意義。

1 WAMS雙端定位原理

當煤礦井下電纜出現(xiàn)故障時，若想要盡快恢復供電，則需要在線實時跟進測量電纜中的電壓、電流等參數(shù)，對故障的位置進行及時的判定，避免故障位置放電，否則會引發(fā)更多事故，比如爆炸、火災等。礦井對井下電纜故障定位所使用的設(shè)備設(shè)施[3]如圖1所示。

圖1 井下電纜故障定位設(shè)備

廣域測量系統(tǒng)簡稱WAMS系統(tǒng)[4]，WAMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是PMU單元，利用PMU測量可以將測量值進行傳輸，最終儲存于數(shù)據(jù)采集器中。通過特定數(shù)據(jù)處理，可以添加更多的高級功能。其中，系統(tǒng)使用雙端定位方法來判斷線路故障，如果電路出現(xiàn)了故障，此時在故障點的兩端會產(chǎn)生一些暫態(tài)信號，行波信號可以通過疊加進行分析，也就是通過對故障進行加深，然后將具有相同電壓幅度和相反方向的虛擬電壓源添加到故障點。WAMS雙端定位原理如圖2所示，圖中表示的是在接入虛擬電壓源時，線路產(chǎn)生一個浪涌信號。在故障F前測量的電壓是ef，在故障點后電壓會被拉低，直到與大地等電勢，這可以理解為開關(guān)K閉合。同時，WAMS系統(tǒng)會和虛擬電源連接產(chǎn)生行波信號，向兩端傳播，直到遇到終端波阻抗，最終停止傳播。其中，一些能量被折射、傳遞給其他元件中；另一部分能量會被反射，最終回到故障線路中。如果反射回故障線的信號再次同故障點相遇，會出現(xiàn)二次折射和反射?；谶@種原理，由故障點產(chǎn)生的信號在線路中連續(xù)振蕩并衰減，直到新的穩(wěn)定狀態(tài)，這就是基于WAMS系統(tǒng)對煤礦井下高壓電纜故障雙端定位的原理。

圖2 電纜故障雙端定位原理

2 高壓電纜故障雙端定位

2.1 WAMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓電纜故障定位的WAMS系統(tǒng)主要分為3個部分，分別是控制中心、光纖通信和PMU[5]。

（1）PMU結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3所示為PMU的結(jié)構(gòu)運行示意圖。PMU工作原理是通過GPS接收器可以發(fā)送脈沖信號，其間隔時間1 s后PMU進行接收[6]，發(fā)出脈沖信號的頻率為50 Hz。另一路通過抗混疊濾波器模擬頻域，傳輸?shù)紸/D采樣模塊中，最終得到數(shù)字信號。

圖3 PMU結(jié)構(gòu)

在采樣脈沖發(fā)生器中，主要以1pps（1個秒脈沖信號）為劃分標準，對脈沖信號進行界別。當脈沖信號符合預定的時間和頻率設(shè)定時，就可以啟動A/D采樣模塊。定時系統(tǒng)可以保證信號的同步采集，在煤礦井下定時系統(tǒng)中，采用單向定時系統(tǒng)對PMU定時，從而提高了系統(tǒng)的安全性，保證了其工作可靠性。在條件允許的情況下，采煤機工作時，最好采用雙系統(tǒng)定時PMU。

（2）控制大腦

在WAMS系統(tǒng)中，控制中心相當于“大腦”。它的主要功能就是接收每個PMU上傳的電壓和電流等數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實時性。與此同時，WAMS系統(tǒng)控制中心對收集到的數(shù)據(jù)進行分析、判斷和處理，不僅可以對數(shù)據(jù)進行分享，同時可以保證數(shù)據(jù)實時儲存，隨時可以查詢歷史數(shù)據(jù)，具有抗干擾抗震蕩等特點?？刂浦行牡慕M成相對簡單，主要由CPU主板、PLC控制器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組件構(gòu)成，數(shù)據(jù)服務(wù)器可以進行實時數(shù)據(jù)服務(wù)，并配有有監(jiān)視系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。

（3）通訊

在WAMS系統(tǒng)中的PMU和控制中心之間，通訊電纜將二者聯(lián)系起來，PMU前端信號經(jīng)通訊電纜傳輸至控制中心，控制中心發(fā)出的命令經(jīng)通訊電纜傳輸給PMU執(zhí)行。該WAMS系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及快速性，是保證PMU能夠?qū)崟r收集信號的基礎(chǔ)。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，通訊電纜采用高速光纖環(huán)網(wǎng)，將每個PMU得到的數(shù)據(jù)都快速傳送到控制中心。同時，配備ISEC61850通信協(xié)議對井下變電站的分層結(jié)構(gòu)進行定義，有益于WAMS系統(tǒng)對井下高壓電纜故障定位起到輔助性作用。

2.2 雙端定位故障仿真分析

利用WAMS系統(tǒng)中的雙端定位方法對高壓電纜單相短路、兩相短路以及單相斷路故障進行了仿真模擬，仿真結(jié)果如表1～3所示。通過對仿真結(jié)果進行分析，可以得知在雙端定位方法下，定位誤差小。采用WAMS系統(tǒng)雙端定位方法對高壓電纜單相短路、兩相短路以及單相斷路故障相對誤差均不超過3%，這表明該方法具有可行性。即使仿真建立的線路模型不等于實際的傳輸線路，它依然可以反映一些實際情況，對井下采用WAMS系統(tǒng)中的雙端定位方法判斷高壓電纜故障具有一定的理論指導。從仿真結(jié)果能夠得出利用WAMS系統(tǒng)中的雙端定位方法對煤礦井下高壓電纜故障檢測效果十分顯著。

表1 單相短路故障定位

表2 兩相短路故障定位

表3 兩相斷路故障定位

2.3 雙端定位故障應(yīng)用研究

把WAMS系統(tǒng)雙端定位電纜故障應(yīng)用于礦井，其整個構(gòu)成以及運轉(zhuǎn)示意如圖4所示。利用WAMS系統(tǒng)雙端定位分別對煤礦井下高壓電纜各種電纜故障類型進行了檢驗，應(yīng)用表明WAMS系統(tǒng)雙端定位井下高壓電纜故障主要有以下特點：

（1）可操作性強，WAMS系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)測磁電纜和控制臺的直接分開，提高了可操作性；

（2）定位故障位置精準，能夠直接定位出故障的位置，在地面集控中心顯示端直觀顯示高壓電纜所在位置；

（3）響應(yīng)速度快，能夠快速準確地發(fā)現(xiàn)故障點，從而快速修復故障，盡快恢復工作，確保井下供電系統(tǒng)安全。

圖4 WAMS系統(tǒng)雙端定位井下電纜故障

在對磁測量電纜的故障進行判斷時，可以使用WAMS系統(tǒng)中脈沖電流法，它具有定位準確，速度快的優(yōu)勢，同其他修復方法相比，修復效率高。WAMS系統(tǒng)雙端定位解決了礦井高壓電纜故障定位難問題，不僅定位精準，而且具有修復功能，實用性高，大大降低了電氣維修工人檢修強度，確保了井下作業(yè)人員安全，為礦井安全供電提供了保障[7-8]。

3 結(jié)束語

井下供電系統(tǒng)電纜故障人工檢查存在效率低、安全性差、誤差大等缺陷，為了解決礦井高壓電纜故障定位難問題，本文借鑒現(xiàn)在較為先進的智能化WAMS技術(shù)，提出了基于WAMS雙端行波法對煤礦高壓電纜故障定位，為檢修、維護提供有利的技術(shù)保障，為礦井供電系統(tǒng)安全護航。

（1）簡單介紹了WAMS系統(tǒng)雙端定位原理。WAMS系統(tǒng)采用雙端定位方法來判斷線路故障，一旦檢測到電纜故障，在故障點將會形成一個向兩端浪涌的信號。

（2）描述了WAMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。高壓電纜故障定位的WAMS系統(tǒng)由控制中心、光纖通信和PMU三部分構(gòu)成。

（3）仿真模擬了WAMS系統(tǒng)雙端定位故障效果。仿真表明采用WAMS系統(tǒng)雙端定位方法對高壓電纜故障定位精準、可行性強、效果顯著。

（4）WAMS系統(tǒng)雙端定位井下電纜應(yīng)用試驗。WAMS系統(tǒng)雙端定位井下高壓電纜可操作性強、定位精準、響應(yīng)速度快、修復效率高。降低了電氣維修工人檢修強度，確保了井下供電安全。