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煤矿井下移动变电站故障检测与诊断系统的研究讲解

青岛科技大学

硕士学位论文

煤矿井下移动变电站故障检测与诊断系统的研究

姓名：

王立刚

申请学位级别：

硕士

专业：

控制理论与控制工程

指导教师：

孟祥忠

20090420

煤矿井下移动变电站故障检测与诊断系统的研究

摘要

在煤矿井下３．３ＫＶ的供电系统中，移动变电站是向采区工作面提供可持续电能的枢纽。

移动变电站的安全可靠运行是整个采区工作面的可靠运行的必要条件，一旦发生故障没有及时处理，不仅影响井下作业的持续运行，甚至造成重大安全事故。

随着煤矿安全生产受到越来越多的关注，开发出可进行在线监测与控制的自动化系统，实时监控移动变电站运行状态，并根据各种在线检测参数的异常诊断出故障类型，鉴定出故障原因，及时排除故障显得尤为重要。

本文根据煤矿井下供电自动化的要求，深入地研究了矿井移动变电站故障检测与诊断系统。

首先根据井下移动变电站的结构特点，深入分析了移动变电站的各种典型故障：

真空断路器真空度劣化及开关机械特性故障，绝缘劣化引起的变压器绕组短路故障以及变压器输出端三相线路故障，并根据各种故障特点，分析了相应的检测方法及原理。

针对传统变压器保护方法不能准确地诊断出变压器励磁涌流与内部故障的问题，提出了利用小波变换分析法来鉴别励磁涌流，并引入了改进递归小波变换算法。

采用Ｍａｔｌａｂ对改进递归小波算法进行仿真，仿真结果表明此算法能够快速地鉴别出励磁涌流的畸变性，满足了实时性要求。

最后采用ＤＳＰ芯片和８０Ｃ１９６ＫＣ双ＣＰＵ结构，来完成整个系统的数据采集、处理分析，满足了数据处理的快速性要求，同时实现了系统的多种功能测控；并设计了ＣＡＮ总线通信节点，实现了高速可靠的总线网络通信。

关键词：

移动变电站故障诊断励磁涌流小波变换递归小波ＤＳＰ

ＴＨＥＲＥＳＥＡＲＣＨ０ＦＲ～ＵＬｒｒＤＥＴＥＣＴＩＯＮ

ＡＮＤＤＩＡＧＮＯＳＩＳＯＦＭＩＮＥＭＯＢＩＬＥ

ＴＲＡＮＳＦ０王己ＭＥＲＳＵＢＳ吼气Ｔ１０Ｎ

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Ｉｎｔｈｅ３．３ｋＶｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆｍｉｎｅａｒｅａ，ｍｏｂｉｌｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｉｓｈｕｂｏｆｍｉｎｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｏｗｅｒｔｏｍｉｎｅａｒｅａ．ＴｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｒｕｎｎｉｎｇｏｆｍｏｂｉｌｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｉＳｔｈｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅａｒｅａｒｕｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅｆａｕｌｔｏｆｍｏｂｉｌｅ

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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：

ｍｏｂｉｌｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｉｎｒｕｓｈｃｕｒｒｅｎｔ，ｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ｒｅｃｕｒｓｉｏｎｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＤＳＰＩＩＩ

青岛科技大学研究生学位论文

独创性声明

本入声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

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保密口，在

年解密后适用于本声明。

不保密口。

（请在以上方框内打“√＂）本人签名：

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１．１课题背景

第１章绪论

我国煤矿供电系统一般由三级变电所组成：

即地面变电所、井下中央变电所和采区变电所【ｌ】。

矿井地面变电所是矿山供电系统的枢纽，它担负着向井上、井下变配电的任务，它将３５ｋｖ电能变为６～１０ｋＶ电能，向额定电压为６～１０ｋＶ及以下的用电设备供电。

井下中央变电所一般设在靠副井的井底车场范围内，负责向下一级变电所分配电能。

采区变电所是采区的供电枢纽，它接受井下中央变（配）电所送来的高压电能，变成低压电能后，直接配送给采掘工作面配电点或用电设备。

由于采掘工作面是不断向前推进的，若直接在井下中央配电所将６—１０ｋＶ电压变成Ｏ．¨．３ｋＶ电压给采区大型机械设备供电，会造成低压线路过长，线损大且线路故障难以排查，所以采区变电所采用可移动的形式，由此产生了煤矿井下移动变电站。

移动变电站是一种可移动的供电成套设备，把煤矿井下来自中央变电所的高压电能转变为低压电能，向采区工作面生产机械驱动设备提供电能。

煤矿井下移动变电站由高压侧开关箱、干式变压器和低压侧保护箱组合而成［Ｉ】［２１。

Ｉ

隔爆高压开Ｉ

隔爆干式变Ｉ低压侧保关箱Ｉ压器Ｉ

护箱ｌ

图１．１矿用移动变电站

Ｆｉｇ１．１ＴｈｅＭｏｖａｂｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＳｕｂｓｔａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｉｎｍｉｌｌｅ

作为井下采区工作面生产机械的供电设备，煤矿井下移动变电站的安全稳定运行是整个采区工作面可靠运行的必要条件，一旦发生故障将造成严重后果。

不仅影响生产，还可能造成人身事故。

因此移动变电站的故障检测及诊断显得尤为重要，及早的发现采区供电系统故障，准确确定故障类型执行保护动作，并及时排除故障，不仅可以提高生产率减少井下事故还可以延长井下供电设备和生产机械设备的寿命进而节约了成本。

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１．２国内外研究情况

２０世纪６０年代初期，英国、西德、苏联等产煤大国，已经开发并推广采用了移动变电站。

１９６５年我国从英国引进却盘纳采煤机组时，曾随同引进了移动变电站，其容量为１８０ｋＶＡ，电压为６６０Ｖ高压侧开关为高压负荷开关，低压侧开关为空气断路器。

随着世界采煤机械设备的发展，移动变电站在容量、电压等级和高低压侧开关的性能上，都有了很大的发展和提高。

２０世纪７０－８０年代，我国从西德、英国、日本、苏联、波兰等国，引进了大批采煤机械设备，其中包括移动变电站，其容量高达７５０ｋＶＡ，二次电压高达１．２ｋＶ。

高压侧开关采用ＳＦ６断路器，高压侧保护性能较完善，低压侧开关采用真空断路器，分断能力和寿命也有了很大的提高。

２０世纪９０年代以来，世界采煤大国都采用高产高效综合机械化采煤，实施一矿一面作业，日产１．３万吨，美国在１９９４年一个工作面日产量就可以达到４．５万吨，总装机容量剧增，各国的移动变电站发展到了一个新阶段。

综合世界产煤大国的移动变电站，其主要特征有：

’

ｌ，大容量。

到目前为止，世界上最大容量的移动变电站是由澳大利亚安控

（ＡＭＰＣｏＮＴＲＯＬ）公司生产的，其容量为６５００ｋＶＡ。

２．高电压。

一次侧电压高达５．１２．５ｋＶ，二次侧电压高达ＡＶ，４．１６ｋＶ，３．３ｋＶ，

２．３ｋＶ等。

３．变压器多绕组。

多绕组变压器可以同时提供多种电压等级，大大减少了工作

面移动变电站的数量，降低了生产成本。

４．低压侧开关向多样化、多路化方向发展。

低压侧开关多种多样，有ＳＦ６馈电开关、真空馈电开关、低压保护箱、负荷中心等型式：

馈电开关只有一路输出；而低压保护箱一般有两路输出，其容量比馈电开关的容量要大：

负荷中心的输出有２～１０路，常见的有４￣８路。

５．微机监控。

移动变电站的高压和低压侧开关，均采用微机进行监测、控制、

保护和通讯。

在我国，移动变电站的发展过程可以分三个阶段【３】

第一代产品。

１９６７年由煤炭部和一机部组织，煤科院上海研究所、太原研究所、抚顺电机厂和上海变压器厂、上海开关厂、上海电器厂联合设计了我国第一代移动变电站，１９６９年６月出厂，在平顶山一矿进行了工业性试验，１９６９年１０月通过了山煤炭部和一机部联合鉴定。

当时我国采煤机械还比较落后，单机容量较小，所以移动变电站的容量也较小，设计有１００ｋＶＡ，２００ｋＶＡ，３１５ｋＶＡ和５００ｋＶＡ

四种，电压等级较低，为４００Ｖ和６９０Ｖ两种；高压侧开关为负荷开关，额定电压２

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为６ｋＶ，额定电流为６３Ａ，其灭弧原理采用狭缝熄弧；变压器为Ｈ级绝缘干式变压器；低压侧开关为空气断路器，具有过载、短路、漏电等保护。

第二代产品。

２０世纪７０年代初期，我国从英国、西德、波兰等国引进了上百套采煤设备和电器设备，也包括移动变电站。

同时，在引进消化的基础上，开发了较大功率的采煤机械。

在这种形势下，１９７４年开始，由沈阳变压器厂、煤科院上海研究所、长沙变压器厂、太原变压器厂、通化变压器厂连同其它开关厂，统一设计了千伏级移动变电站，我们称之为第二代移动变电站，其额定电压为６ｋＶ／１２００Ｖ或６ｋＶ／６９０Ｖ，容量为３１５ｋＶＡ，５００ｋＶＡ，６３０ｋＶＡ。

高压侧开关仍为负荷开关，低压侧开关为真空馈电开关。

第二代移动变电站于１９８１年通过鉴定，随后大量推广应用，并继续开发了容量为８００ｋＶＡ，１０００ｋＶＡ，１２５０ｋＶＡ的移动变电站。

１９９１年，１０ｋＶ的移动变电站通过了能源部鉴定，并推广应用。

第三代产品，２０世纪９０年代初，我国创建高产高效综采工作面，需要更大容量、更高电压、保护性能更完善的移动变电站。

１９９３年开始研制６ｋＶ／３．３ｋＶ的１６００ｋ、後移动变电站，现在已能生产２５００ｋＶＡ的移动变电站了。

综合近ｌＯ年第三代产品的特征是：

低压侧供电电压等级为３．３ｋＶ，容量高达２５００ｋＶＡ；高压侧开关采用高压真空断路器；低压侧开关采用３．３ｋＶ，８００Ａ，１００Ａ的低压保护箱。

目前，我国已有近２０个企业生产移动变电站，其高低压侧开关生产企业达数十个，移动变电站的容量为高达２５０ｋＶＡ，其电压等级高压侧为１０ｋＶ，６ｋＶ，低压侧为３８０Ｖ，６６０Ｖ，１１４０Ｖ，３３００Ｖ。

移动变电站的安全可靠高效运行至关重要。

１．３电气设备故障诊断技术简介

电气设备的监测与诊断是一门新技术。

它的主要任务，就是使设备以高质量状态投入运行，运行中定时或不间断地对设备进行现状监测，发现异常，对即将产生的故障进行诊断，及时处理、适时维修，防止事故的发生，避免事故损失，确保可靠供电，节约维修费用，避免设备寿命浪费，最大限度地使设备为企业提高经济效益，为社会发展提供高质量电力【４】。

因此，移动变电站故检测及障诊断系统，作为煤矿井下供电自动化系统的重要组成部分，对于提高供电的质量，减少事故隐患，提高供配电的管理水平，节约电能，节约人力物力资源，适应安全煤矿生产发展具有现实和长远意义。

设备的“故障诊断＂其含义是指这样的过程：

专家根据状态监测所得到的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，找出设备故障的类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修３

煤矿井下移动变电站故障检测与诊断系统的研究

处理建议。

简言之，“状态监测＂是特征量的采集提取，而“故障诊断”是特征量提取后的分析判断过程。

广义而言，诊断的含义概括了“状态监测”和“故障诊断”：

前者是“诊”，后者是“断”。

随着电子技术、计算机技术、光电技术、信号处理技术和传感器技术的发展，可以对电气设备进行在线的状态监测，及时取得各种即使是很微弱的信息。

对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小及变化趋势，可对设备的可靠性随时做出判断和对设备的剩余寿命做出预测，从而能早期发现潜伏的故障，必要时可提供预警或规定的操作。

状态监测（在线监测）与故障诊断技术的特点是可以对电气设备在运行状态下进行连续在线监测与判断，故可避免目前普遍实行的预防性离线测量试验的缺剧５】【７１。

国外对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始于６０年代。

各发达国家都很重视但直到７０．８０年代，随着传感器技术、计算机技术、光纤技术等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。

加拿大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体，变压器、发电机、气体绝缘封闭式组合电气（ＧＩＳ）等的局部放电，电容型设备的介质损耗因数等特性，交联聚乙烯的泄漏电流等等在线监测系统，其中少数己发展成为正式产品。

国际大电网会议于１９９０年发表了关于电气设备绝缘诊断技术的综述性报告，对截止于８０年代末在这一领域的最新成果做了系统的总结。

我国对电气设备状态监测与故障诊断技术的重要性也早己认识。

６０年代就提出过不少带电实验的方法，但由于操作复杂、测量结果分散性大，没有得到推广。

８０年代以来，随着高新技术的发展与应用，我国的电气设备在线诊断技术也得到了迅猛发展。

由于我国工业发展迅速，用电一直紧张，加之部分设备故障率较高，因此对于推行在线诊断技术以提高电力系统的运行可靠性，更加迫切。

我国高等院校和电力部ｆ－Ｊ币＇４研院所有关专业都相继开展了这方面的研究。

自１９８５年以来，先后三次召开了全国电力设备绝缘带电测试、诊断技术交流会，不仅进行了学术交流，而且就如何发展和推广在线诊断技术开展了讨论。

目前可以认为，我国电气设备状态监测与故障诊断技术的研究和国际上是同步发展的，处于几乎相同的水平【２ｊ。

由于状态监测与故障诊断技术的难度，无论是国内，还是国外，除个别项目以外，大多还不很成熟，仍处于研究发展阶段。

纵观所有电力设备在线监测技术的发展过程，尚有许多问题有待进一步解决。

主要问题如下：

（１）测试精度及其稳定性校验。

要求研制专门的在线监测的现场校验方法和设备是在线监测系统面临的一个重要技术问题。

（２）高精度、高稳定、零角差传感器的研制。

（３）基准电压抽取。

目前抽取基准电压的方法大多是从ＴＶ（测试电压）的４

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二次侧抽取。

现场实验证明，其误差较大，同时也增加了安装的复杂性。

（４）干扰及防护。

（５）积累运行经验，建立专家系统和报警值以及相应的监测标准嘲。

１．４课题研究意义及本文主要内容

１．４．１课题研究意义

移动变电站是一种可移动的供电成套设备，用于把煤矿井下来自中央变电所的高压电能转变为低压电能，并向采区工作面生产机械驱动设备提供电能的移动式变配电装置【３】。

它的安全运行是整个采区工作面工作可靠性的必要条件。

一旦发生故障，或是在局部故障时没有及时诊断出故障类型，快速做出保护动作，将造成严重后果。

不仅影响生产，还可能造成人身事故。

因此，分析变压器故障原因，利用可检测信息预测潜在的故障，准确诊断出故障类型，根据诊断信息查找并排除故障，在故障发生前或已发生但并未造成严重损害前，诊断出故障原因执行保护动作显得十分重要。

移动变电站中重要的电气设备是断路器和变压器。

以往井下移动变电站采用高压压负荷开关，隔爆性能和开关特性很差，易出现井下事故。

现在我国煤矿井下移动变电站一般采用高压真空断路器，隔爆性嫩好，使用寿命长。

但真空高压开关也存在很多问题，比如真空度劣化后，触头开断时电弧持续时间长，开断时间长，触头温度瞬间很高，磨损加快，久而久之，断开特性恶劣，进而导致故障时不能及时断开线路，导致输出端故障扩大化，影响生产甚至导致安全事故。

因此对断路器进行在线监测，根据检测参数信息诊断出故障类型，及时查找原因，不仅防止恶性故障发生，还可以及时处理问题，严长电气设备的使用寿命。

变压器最常见的故障是绝缘劣化引起的内部绕组短路，由于变压器内部结构复杂，不能直接测量器电气量，只能通过检测高压侧和低压侧的电气量来诊断是否内部故障，因此需要鉴别变压器内部和外部故障，通常用变压器差动保护法来鉴别内部故障和外部故障。

由于变压器是非线性的，存在励磁涌流，在鉴别内部故障时很容易将励磁涌流诊断为内部绕组故障。

三相电线路常见的故障有漏电故障，过载故障，短路故障，断相故障。

准确快速分辨出故障类型，对煤矿安全生产来说至关重要。

线路故障的数字微机检测保护已经成为现在煤矿电力系统主要手段，电力系统功率在线检测也是判断煤矿电力系统供电质量好坏的一个重要依据。

提高故障诊断的准确率和速度，是煤矿供电系统的迫切要求。

煤矿井下移动变电站故障检测与诊断系统的研究

随着煤矿供电自动化的要求越来越高，各中井下设备需要实现在线监测，实时观察井下各种设备的运行状态并且要求能有效、快速对井下设备执行相应的控制操作，各种用电设备都必须设有智能检测终端，并通过网络与上位机进行通信。

因此需要寻求一种安全、快速、准确的实时通信网络。

ＲＳ－４８５总线是广泛应用的一种总线，但其速度和传输距离受到限制。

现场总线目前在大型工矿企业得到了应用，ＣＡＮ总线是一种传输距离远，速度快，容易实现的现场总线。

１．４．２本文的主要内容

第一章论述了移动变电站在国内外发展状况，引入了电气设备故障诊断技术概念，结合国内煤矿移动变电站发展状况，说明了本课题研究意义。

第二章依据移动变电站的结构，分析各部分常见故障。

第三章根据不同故障提出了不同的检测方法，分析了检测原理。

其中，特别是励磁涌流与变压器内部故障的鉴别方法。

第四章引入小波变换理论，并概括其在电力系统中的应用，讨论了改进递归小波算法，并将其应用与变压器励磁涌流的鉴别，做了仿真分析，达到了预期效果。

第五章实现了故障监测诊断系统的硬件软件实现，在本系统中用到了大量的变换算法，傅里叶变换和递归小波变换，因此选择了ＴＩ公司高性能ＤＳＰ芯片和８０Ｃ１９６ＫＣ双ＣＰＵ来实现。

第六章设计了ＣＡＮ总线终端，实现了移动变电站实时通信。

６

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第２章移动变电站结构及典型故障

移动变电站结构

作为井下工作面３．３ｋＶ供电设备，煤矿井下移动变电站由隔爆型干式变压器，隔爆型高压开关箱和低压侧隔爆型开关箱组成。

国内移变最大功率能达到２５００ｋＶ。

传统的移动变电站高压侧采用高压负荷开关，低压侧采用馈电开关，故障时控制断开低压侧馈电开关，其优点是容易控制，但是当故障出现在变压器内部和低压侧之间时，由于低压侧电流小，保护装置检测不到故障信号，不能及时作出保护动作，对变压器造成极大的损害。

本文所涉及的移动变电站是将煤矿中央变（配）电所送到采区工作面的６ｋＶ高压电能转换成采煤机所用的３．３ｋＶ电能。

高压侧开关装置采用高压真空断路器，低压侧采用低压保护箱，变压器采用隔爆型干式变压器。

其接线图如图２．１。

图２．１移动变电站电气结构

Ｆｉｇ２．１ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｏｆｔｈｅＭｏｖａｂｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＳｕｂｓｔａｔｉｏｎ

２．２高压侧开关箱故障分析

高压测开关箱由断路器、电流电压互感器及检测装置组合而成，断路器是移动变电站的动作执行设备，在故障时断开三相线路，保护变压器和禁止故障扩大化。

高压断路器是电力系统中最重要的开关设备。

它担负着控制和保护的功能，即根据电网运行的需要用它来可靠地投入或切除相应的线路或电气设备。

当线路或电气设备发生故障时，将故障部分从电网中快速切除，保证电网无故障部分正７

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常运行。

如果断路器不能在电力系统发生故障时开断线路、消除故障，就会使事故扩大造成大面积停电。

高压断路器性能的好坏、工作的可靠程度是决定电力系统安全运行的重要因素。

因此，需要在线监测断路器运行状态，及早发现故障征兆，分析故障原因，采取保护措施，来减少意外停电事故‘７１。

２．２．１断路器的种类

断路器就其对地绝缘方式来讲大体可分为：

１．接地金属箱型

这一类型断路器的结构特点是触头和灭弧室装于接地的金属箱中，导电回路靠绝缘套管引入。

它的主要优点是可以在进出线套管上装设电流互感器以提供电流信号和利用出线瓷套的电容式分压器以提供电压信号，这种类型的断路器在使用时不需要再配专用的电流和电压互感器。

２．套管支持型

这一类型断路器的特点是安置触头和灭弧室的容器（可以是金属筒，也可以是绝缘筒）处于高电位，支持套管对地绝缘。

其主要优点是可以用串联若干个开断元件和加高对地绝缘尺寸的方法组成更高电压等级的断路器。

断路器按照灭弧介质的不同，断路器可划分为：

１．油断路器

指触头在变压器油中开断，利用变压器油作为灭弧介质的断路器。

油断路器是最早出现、使用也最广泛的一种断路器。

２．压缩空气断路器

指利用高压的空气来吹弧的断路器。

压缩空气断路器是高压和超高压大容量断路器的主要品种，它的开断能力大，燃弧时间短，动作快容易实现快速自动重合闸。

但结构复杂，通常只在３３０ｋＶ及以上电压等级中才应用空气断路器。

３．六氟化硫断路器

指利用高压的六氟化硫（ＳＦ６）气体来吹弧的断路器。

高压ＳＦ６断路器是新一代的开关断路器，它利用ＳＦ６气体作为绝缘和灭弧介质，具有灭弧能力强，介质强度高，介质恢复速度快等特点，其单断口的电压可以做得很高，在ＳＦ６中断路器触头材料烧蚀极轻微，有利于增加开断次数。

４．真空断路器

指触头在真空中开断，利用真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器真空灭弧室的真空度在１．３３ｘ１