煤礦井下供電系統(tǒng)串聯(lián)故障電弧性能評估及診斷研究

趙建峰

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司賀西煤礦，山西呂梁 033300）

0 引言

供電系統(tǒng)串聯(lián)型故障容易誘發(fā)火災(zāi)等安全事故，燒壞用電設(shè)備，特別是煤礦井下存在瓦斯、煤塵等原因，串聯(lián)故障更易給礦井帶來安全隱患，加之井下環(huán)境惡劣，條件復(fù)雜多樣，這些因素給礦井對供電系統(tǒng)串聯(lián)故障評估和診斷帶來了難題[1]，為此，論文借助實驗和仿真的手段，對礦井供電系統(tǒng)串聯(lián)電路故障展開分析。文獻(xiàn)[2-3]結(jié)合放電過程的物理和伏安特性，建立電弧數(shù)學(xué)模型，對供電系統(tǒng)串聯(lián)故障進(jìn)行了一定的研究，但是由于供電系統(tǒng)電路參數(shù)、環(huán)境條件一旦改變，其建立的電弧參數(shù)模型并不具有一定的普適性。文獻(xiàn)[4]結(jié)合多層電弧故障以及借鑒直流電故障診斷原理，對供電系統(tǒng)串聯(lián)故障展開了檢測和闡述，雖然預(yù)測了電弧故障保護(hù)的智能化和集成化，但是對串聯(lián)故障的評估和診斷并未作出詳細(xì)的定論。文獻(xiàn)[5-6]根據(jù)民用電路串聯(lián)故障時電弧特征進(jìn)行了分析，雖然得出了不同電路條件下串聯(lián)故障電弧有所區(qū)別，但是該結(jié)論不能良好地應(yīng)用于煤礦井下供電系統(tǒng)。本文借鑒前人的研究成果，對煤礦井下供電系統(tǒng)發(fā)生的串聯(lián)故障展開電弧性能評估，分析電路中的電壓、電流、負(fù)載等因素對故障的影響，并提出診斷方法，最后通過建立數(shù)據(jù)庫分析電路串聯(lián)故障原因，這對防治井下供電系統(tǒng)串聯(lián)故障具有重要的意義。

1 串聯(lián)故障電弧性能評估

為了更好地掌握煤礦井下供電系統(tǒng)串聯(lián)故障電弧特征性能，采用實驗和仿真的方法對其展開評估。實驗用的是三相異步電機，接入的是交流電380 V，分析電機與其他用電設(shè)備串聯(lián)時發(fā)生故障的電弧性能，實驗所采用的設(shè)備如圖1所示。在實驗中串聯(lián)故障電弧發(fā)生器與B相串聯(lián)，查看其電流變化情況。仿真模擬時設(shè)置相同的電源、電壓、負(fù)載等條件，模擬分析電機與其他設(shè)備串聯(lián)時，發(fā)生故障的電弧特征。

串聯(lián)故障發(fā)生電弧時電流波形如圖2所示，其中圖2（a）為實驗中得出的波形結(jié)果，圖2（b）為仿真中得出的波形結(jié)果。從圖2中兩個對比圖來看，隨著時間變化，兩圖中的電流變化趨勢基本保持一致。但是由于B相有故障電弧存在，3個相電流幅值出現(xiàn)差異，特別是實驗得出波形最為明顯。為了進(jìn)一步掌握供電系統(tǒng)串聯(lián)故障中的電弧情況，還對串聯(lián)故障的電壓、負(fù)載、電阻等中電弧性能進(jìn)行了實驗和仿真，結(jié)果顯示。實驗和仿真結(jié)果基本相近，說明仿真和實驗在分析串聯(lián)故障電弧中具有替換性，電壓信號、負(fù)載信號和電阻信號均會受到電弧影響，表明在供電系統(tǒng)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)故障電弧，保護(hù)用電設(shè)備的良好性能。

圖1 串聯(lián)故障電弧性能實驗

圖2 實驗與仿真中的供電系統(tǒng)串聯(lián)故障波形

2 供電系統(tǒng)故障分析

2.1 串聯(lián)故障

對井下03采區(qū)的供配電系統(tǒng)的各個用電環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，采區(qū)的用電設(shè)備如表1所示。在該采區(qū)包含運輸、采掘、排水、照明等各個環(huán)節(jié)的用電設(shè)備，通過建立仿真模型，設(shè)置與礦井相同的用電設(shè)備及其參數(shù)模擬分析各個環(huán)節(jié)用電設(shè)備串聯(lián)時發(fā)生故障電弧的電流、電壓、負(fù)載、電阻等波形，為了便于說明，仿真的皮帶輸送系統(tǒng)串聯(lián)故障電弧波形如圖3所示。圖中仿真的串聯(lián)故障為A相，B、C兩相均為正常，從圖中可以得出，故障電弧電流波峰和波谷小于正常相的電流，說明串聯(lián)故障引起的電弧會消耗電流，浪費電能，若用電設(shè)備過多，相應(yīng)的電能供應(yīng)必然會受到影響，嚴(yán)重者會損耗用電設(shè)備，甚至發(fā)生火災(zāi)。

表1 井下供電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的用電設(shè)備統(tǒng)計

圖3 供電系統(tǒng)串聯(lián)電路A相故障時的仿真波形

圖4 供電系統(tǒng)串聯(lián)電路過電壓故障波形

2.2 其他故障

煤礦井下供電系統(tǒng)除了電弧串聯(lián)故障外，還會因為過電壓、過電流、短路、單相接地等造成串聯(lián)故障，為了更好地保護(hù)用電設(shè)備，防止井下用電出現(xiàn)安全事故，對其他因素造成的串聯(lián)故障進(jìn)行仿真分析。仿真電路、參數(shù)、用電設(shè)備設(shè)置均與井下情況相當(dāng)，還是以運輸系統(tǒng)環(huán)節(jié)為例，電機設(shè)置為DSB-75P，電壓設(shè)置為660 V，模擬分析電路出現(xiàn)過電壓狀況下的電流隨著時間的變化狀況，如圖4所示。圖中3個相均是由于過電壓造成串聯(lián)故障，從圖中可以得出，發(fā)生串聯(lián)故障后，3個相的電流均出現(xiàn)了明顯變化，其中A相電流故障最為明顯。在1.10 s之前，3相的電流變化起伏巨大，隨著時間變化，3相的電流呈現(xiàn)有規(guī)律的遞減趨勢。從而說明在井下用電過程中應(yīng)避免出現(xiàn)過電壓等串聯(lián)型的故障，保護(hù)用電設(shè)備。

3 串聯(lián)故障電弧診斷

3.1 數(shù)據(jù)庫建立

煤礦井下用電設(shè)備繁多，電弧斷路器如何準(zhǔn)確識別串聯(lián)故障中的電弧，需要對電弧斷路器進(jìn)行控制。通過對井下電機、照明燈、負(fù)載等用電信號分析，串聯(lián)故障的電弧引起的電流信號會出現(xiàn)過零點數(shù)，時域特征參數(shù)為峰峰值、裕度因子，頻域特征參數(shù)為頻譜率。為了更好地識別、診斷串聯(lián)故障電弧，取電路中的正常情況下和A相故障、B相故障、C相故障、三相中的兩兩相故障、三相全故障作為特征，分別按照正常型、單相故障型、兩相故障型和三相故障型進(jìn)行分類，提取電弧引起的電流、電壓等特征，建立數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫為樣本，根據(jù)向量組成特征向量寫入程序編碼，以供控制端對其邏輯分析判斷，從而良好地控制電弧斷路器執(zhí)行正確的動作。

3.2 性能測試

在井下用電過程中會受到環(huán)境或者其他設(shè)備影響，為檢驗串聯(lián)故障電弧診斷效果和斷路器動作正確性，對井下03采區(qū)的供電系統(tǒng)串聯(lián)故障進(jìn)行了測試。采用電流采集儀等井下各處的串聯(lián)電路中的電流采集，采集的電流會在該儀器中自動生成波形。采集到三相故障處的電流波形如圖5所示。從該波形圖中可以看出，3個相均是故障狀態(tài)，但是其電流變化趨勢呈一致狀態(tài)，主要是因為控制端已經(jīng)檢測到了串聯(lián)故障，促使斷路器執(zhí)行了動作，避免了短路發(fā)生，產(chǎn)生瞬時的高電流現(xiàn)象，從而更好地保護(hù)了用電設(shè)備。另外對環(huán)境的影響也進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)在控制端的調(diào)控下，電路受環(huán)境影響較小，一般產(chǎn)生串聯(lián)故障電弧主要是因為負(fù)載過于集中或者用電設(shè)備分配不均勻引起，因此，在串聯(lián)電路中應(yīng)該合理分配用電和負(fù)載，盡量降低串聯(lián)故障電弧的發(fā)生率，為串聯(lián)電路故障評估、診斷提供了有效的結(jié)果，減輕了維護(hù)難度，保護(hù)了人員和設(shè)備安全。通過對煤礦井下供電系統(tǒng)串聯(lián)故障電弧性能評估和診斷，對井下安全供電和穩(wěn)定用電有了理論性指導(dǎo)，減小了井下因供電故障發(fā)生的事故，從而提高礦井的生產(chǎn)效率。

圖5 供電系統(tǒng)串聯(lián)電路故障電流隨著時間變化的波形

4 結(jié)束語

煤礦井下供電系統(tǒng)串聯(lián)型故障易損毀設(shè)備，發(fā)生用電事故，為了保障井下用電，采用實驗和仿真的理論方法對井下的串聯(lián)故障電弧進(jìn)行了評估、診斷研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過對井下供電系統(tǒng)串聯(lián)故障電弧實驗和仿真分析，發(fā)生的串聯(lián)故障電弧引起的電流、電壓變化較為明顯，在生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)；

（2）根據(jù)井下實際情況，采用仿真模擬手段對串聯(lián)故障電弧和過電壓進(jìn)行了分析，故障引起明顯的電流等變化，燒壞電機，損壞設(shè)備，易引發(fā)礦井用電事故；

（3）為了減小串聯(lián)故障發(fā)生，建立數(shù)據(jù)庫，為控制端認(rèn)識、調(diào)控串聯(lián)故障電弧奠定基礎(chǔ)，在控制端的調(diào)控下，斷路器執(zhí)行動作，確保礦井安全用電。