煤礦變壓器故障分析及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

計大威

(上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201411)

隨著煤礦機(jī)械化程度的逐漸發(fā)展，煤礦對設(shè)備性能的要求也逐漸增加。煤礦干式變壓器作為煤礦主要功能設(shè)備，其正常運轉(zhuǎn)主要關(guān)系著煤礦安全生產(chǎn)。由于煤礦變壓器處于復(fù)雜惡劣的環(huán)境，致使變壓器出現(xiàn)設(shè)備老化、故障頻發(fā)等情況。并且由于干式變壓器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和故障種類的復(fù)雜，造成干式變壓器溫度急劇增加，出現(xiàn)絕緣材料使用壽命的損耗及火災(zāi)的發(fā)生?，F(xiàn)階段，礦用變壓器的故障診斷主要依靠預(yù)防性試驗和定期檢修來實現(xiàn)的，該方法主要依靠檢查員的經(jīng)驗實現(xiàn)，不能夠?qū)?fù)雜故障做出準(zhǔn)確判斷[1-4]。針對煤礦變壓器故障分析及監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的問題有：①礦用變壓器的故障診斷體系的建立；②礦用變壓器運行參數(shù)的有效采集；③礦用變壓器故障和故障原因的關(guān)系確立；④數(shù)據(jù)傳輸中的電磁干擾問題；⑤相應(yīng)故障參數(shù)的測試精度；⑥礦用變壓器監(jiān)測方法的確定[5-10]。鑒于此，本文研究了煤礦變壓器故障分析及監(jiān)控系統(tǒng)，有助于及時發(fā)現(xiàn)礦用變壓器故障發(fā)生部位，便于設(shè)備的維修，提高了礦用變壓器供電質(zhì)量，從而減小了由礦用變壓器故障引起的火災(zāi)發(fā)生概率。

1 煤礦變壓器故障及評估結(jié)構(gòu)

1.1 煤礦變壓器故障分析

由于礦用變壓器長期處于高溫度、大濕度、諧波污染程度高、設(shè)備密集的環(huán)境中，使得礦用變壓器影響因素有很多。常見的影響因素[11-14]有：①高溫的影響，礦用變壓器在運行過程中，會出現(xiàn)耗能發(fā)熱，導(dǎo)致故障的產(chǎn)生；②過電流的影響，基于電流的熱效應(yīng)，礦用變壓器繞組過電流會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，致使繞組的絕緣出現(xiàn)老化，引起故障的發(fā)生；③過電壓的發(fā)生，在礦用變壓器操作中，會出現(xiàn)諧波過電壓、暫態(tài)過電壓和操作過電壓，影響礦用變壓器的絕緣水平，有時甚至擊穿絕緣層，造成故障的發(fā)生。按照事故發(fā)生的部位劃分，礦用變壓器常見故障主要有鐵芯故障和繞組故障2類。

(1)鐵芯故障。鐵芯故障主要表現(xiàn)形式有鐵芯片間短路、鐵芯接地不良、鐵芯多點接地等。根據(jù)統(tǒng)計，鐵芯故障在礦用變壓器故障中占有很大比例。鐵芯故障分類如圖1所示。

圖1 鐵芯故障分類Fig.1 Core failure classification

(2)繞組故障。繞組故障的主要原因：①繞組松動造成絕緣受阻；②沒有完全干燥，造成絕緣性能不足；③外部負(fù)載頻繁變化；④繞組的變化造成繞組長期受力；⑤繞組導(dǎo)線的錯位造成過電壓的發(fā)生。繞組故障分類如圖2所示。

圖2 繞組故障分類Fig.2 Winding fault classification

1.2 礦用變壓器狀態(tài)評估結(jié)構(gòu)

本文采用多種參數(shù)融合的方式進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，礦用變壓器狀態(tài)評估參數(shù)見表1。

表1 礦用變壓器狀態(tài)評估參數(shù)Tab.1 Condition assessment parameters of mine transformer

2 煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有功能：①準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；②為了克服外部擾動的影響，應(yīng)具有一定的抗電磁干擾能力；③可以實時監(jiān)測變壓器的運行狀態(tài)，并對采集到的信息進(jìn)行傳輸、儲存和處理；④對變壓器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障實時診斷時，能夠不影響變壓器正常使用。

煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)主要由服務(wù)器、服務(wù)器終端、監(jiān)測裝置和井下傳感器組成。

圖3 煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of coal mine transformer monitoring system

煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)分為地面部分和地下部分。其中，地面部分包括監(jiān)測中心服務(wù)器和監(jiān)控界面，其數(shù)據(jù)傳輸依靠TCP/IP協(xié)議；井下部分主要由通信模塊和傳感器組成。監(jiān)測裝置主要由高速采集卡和DSP處理器構(gòu)成；工控機(jī)主要實現(xiàn)變壓器狀態(tài)評估和故障診斷等功能。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)整個設(shè)計需求，煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要包括2部分：①采用采集卡來完成高速信號的采集處理，高速信號模塊將傳感器采集的信息傳輸?shù)絋MS320F2812的片內(nèi)I/O模塊；②以TMS320F2812型CPU為核心，對中低速信號進(jìn)行采集處理，將三相的觸頭溫度、鐵芯溫度、溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)，利用信號傳輸電路和溫度傳感器傳輸給TMS320F2812的片內(nèi)AD模塊。

煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of coal mine transformer monitoring system

系統(tǒng)硬件部分主要由最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外部擴(kuò)展存儲器接口電路、電壓電流調(diào)理電路、溫度信號采集電路、鐵芯漏電流采集電路等構(gòu)成。

(1)DSP最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。DSP最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由JTAG接口電路、復(fù)位電路、時鐘電路、電源電路構(gòu)成。

(2)外部擴(kuò)展存儲器接口電路。主要由1個寫控制線、1個讀控制線、1個片選信號、16位數(shù)據(jù)線、19位地址線組成。

(3)電壓電流調(diào)理電路。電壓電流調(diào)理電路分為電壓調(diào)理電路和電流調(diào)理電路。①電壓調(diào)理電路采用電壓互感器為系統(tǒng)提供電壓信號，一次電壓互感器采用JSZW3-10型電壓互感器，二次電壓互感器采用SPT204A型電壓互感器。②電流調(diào)理電路采用電流互感器為系統(tǒng)提供電流信號，一次電流互感器采用5 A/1 A型穿心式電流互感器，二次電流互感器采用SCT254FK型電流互感器。

(4)溫度信號采集電路。本文選用Pt100熱電偶式傳感器，用于溫度信號的監(jiān)控，芯片采用XTR105芯片，將0～200 ℃的溫度轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號。

(5)鐵芯漏電流采集電路。本文采用精密電流互感器，用于電信漏電信號的監(jiān)測，信號利用漏電流調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)紸D采樣模塊進(jìn)行采集。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)軟件主要由故障診斷、運行狀態(tài)評估、信號預(yù)處理和采集與顯示等模塊構(gòu)成，煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.5 Software structure of coal mine transformer monitoring system

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計Fig.6 Monitoring system main program design

在系統(tǒng)得電復(fù)位之后，CPU先檢查本身工作環(huán)境及前提條件，實現(xiàn)初始化，按照主程序來執(zhí)行各個模塊。當(dāng)主程序在運行過程中，遇到判斷模塊時，需要滿足條件，才能進(jìn)行中斷，并調(diào)用該模塊。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用RS495串口通信，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行分析處理，傳輸?shù)椒?wù)器上，最后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示的工控機(jī)人機(jī)界面上(圖7)。

圖7 發(fā)送與接收子程序流程Fig.7 Sending and receiving subroutine flow

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計

為了便于直觀的了解礦用變壓器運行狀況及工作參數(shù)，采用LabVIEW軟件對監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(圖8)。

圖8 狀態(tài)檢測界面Fig.8 Status detection interface

人機(jī)界面主要由登錄界面、信息交互界面和狀態(tài)檢測界面構(gòu)成。

5 結(jié)論

文章對煤礦變壓器故障進(jìn)行了分析，并設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)，礦用變壓器常見故障主要有鐵芯故障和繞組故障，礦用變壓器狀態(tài)評估參數(shù)主要為電氣試驗、運行工況、運行環(huán)境，設(shè)計了煤礦變壓器監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，并分析了系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。研究為礦用變壓器監(jiān)控提供了技術(shù)支持。