煤矿井下供电系统串联故障电弧性能评估及诊断研究

赵建峰

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿，山西吕梁 033300）

0 引言

供电系统串联型故障容易诱发火灾等安全事故，烧坏用电设备，特别是煤矿井下存在瓦斯、煤尘等原因，串联故障更易给矿井带来安全隐患，加之井下环境恶劣，条件复杂多样，这些因素给矿井对供电系统串联故障评估和诊断带来了难题[1]，为此，论文借助实验和仿真的手段，对矿井供电系统串联电路故障展开分析。文献[2-3]结合放电过程的物理和伏安特性，建立电弧数学模型，对供电系统串联故障进行了一定的研究，但是由于供电系统电路参数、环境条件一旦改变，其建立的电弧参数模型并不具有一定的普适性。文献[4]结合多层电弧故障以及借鉴直流电故障诊断原理，对供电系统串联故障展开了检测和阐述，虽然预测了电弧故障保护的智能化和集成化，但是对串联故障的评估和诊断并未作出详细的定论。文献[5-6]根据民用电路串联故障时电弧特征进行了分析，虽然得出了不同电路条件下串联故障电弧有所区别，但是该结论不能良好地应用于煤矿井下供电系统。本文借鉴前人的研究成果，对煤矿井下供电系统发生的串联故障展开电弧性能评估，分析电路中的电压、电流、负载等因素对故障的影响，并提出诊断方法，最后通过建立数据库分析电路串联故障原因，这对防治井下供电系统串联故障具有重要的意义。

1 串联故障电弧性能评估

为了更好地掌握煤矿井下供电系统串联故障电弧特征性能，采用实验和仿真的方法对其展开评估。实验用的是三相异步电机，接入的是交流电380 V，分析电机与其他用电设备串联时发生故障的电弧性能，实验所采用的设备如图1所示。在实验中串联故障电弧发生器与B相串联，查看其电流变化情况。仿真模拟时设置相同的电源、电压、负载等条件，模拟分析电机与其他设备串联时，发生故障的电弧特征。

串联故障发生电弧时电流波形如图2所示，其中图2（a）为实验中得出的波形结果，图2（b）为仿真中得出的波形结果。从图2中两个对比图来看，随着时间变化，两图中的电流变化趋势基本保持一致。但是由于B相有故障电弧存在，3个相电流幅值出现差异，特别是实验得出波形最为明显。为了进一步掌握供电系统串联故障中的电弧情况，还对串联故障的电压、负载、电阻等中电弧性能进行了实验和仿真，结果显示。实验和仿真结果基本相近，说明仿真和实验在分析串联故障电弧中具有替换性，电压信号、负载信号和电阻信号均会受到电弧影响，表明在供电系统中应尽量避免出现故障电弧，保护用电设备的良好性能。

图1 串联故障电弧性能实验

图2 实验与仿真中的供电系统串联故障波形

2 供电系统故障分析

2.1 串联故障

对井下03采区的供配电系统的各个用电环节进行分析，采区的用电设备如表1所示。在该采区包含运输、采掘、排水、照明等各个环节的用电设备，通过建立仿真模型，设置与矿井相同的用电设备及其参数模拟分析各个环节用电设备串联时发生故障电弧的电流、电压、负载、电阻等波形，为了便于说明，仿真的皮带输送系统串联故障电弧波形如图3所示。图中仿真的串联故障为A相，B、C两相均为正常，从图中可以得出，故障电弧电流波峰和波谷小于正常相的电流，说明串联故障引起的电弧会消耗电流，浪费电能，若用电设备过多，相应的电能供应必然会受到影响，严重者会损耗用电设备，甚至发生火灾。

表1 井下供电系统各个环节的用电设备统计

图3 供电系统串联电路A相故障时的仿真波形

图4 供电系统串联电路过电压故障波形

2.2 其他故障

煤矿井下供电系统除了电弧串联故障外，还会因为过电压、过电流、短路、单相接地等造成串联故障，为了更好地保护用电设备，防止井下用电出现安全事故，对其他因素造成的串联故障进行仿真分析。仿真电路、参数、用电设备设置均与井下情况相当，还是以运输系统环节为例，电机设置为DSB-75P，电压设置为660 V，模拟分析电路出现过电压状况下的电流随着时间的变化状况，如图4所示。图中3个相均是由于过电压造成串联故障，从图中可以得出，发生串联故障后，3个相的电流均出现了明显变化，其中A相电流故障最为明显。在1.10 s之前，3相的电流变化起伏巨大，随着时间变化，3相的电流呈现有规律的递减趋势。从而说明在井下用电过程中应避免出现过电压等串联型的故障，保护用电设备。

3 串联故障电弧诊断

3.1 数据库建立

煤矿井下用电设备繁多，电弧断路器如何准确识别串联故障中的电弧，需要对电弧断路器进行控制。通过对井下电机、照明灯、负载等用电信号分析，串联故障的电弧引起的电流信号会出现过零点数，时域特征参数为峰峰值、裕度因子，频域特征参数为频谱率。为了更好地识别、诊断串联故障电弧，取电路中的正常情况下和A相故障、B相故障、C相故障、三相中的两两相故障、三相全故障作为特征，分别按照正常型、单相故障型、两相故障型和三相故障型进行分类，提取电弧引起的电流、电压等特征，建立数据库。以数据库为样本，根据向量组成特征向量写入程序编码，以供控制端对其逻辑分析判断，从而良好地控制电弧断路器执行正确的动作。

3.2 性能测试

在井下用电过程中会受到环境或者其他设备影响，为检验串联故障电弧诊断效果和断路器动作正确性，对井下03采区的供电系统串联故障进行了测试。采用电流采集仪等井下各处的串联电路中的电流采集，采集的电流会在该仪器中自动生成波形。采集到三相故障处的电流波形如图5所示。从该波形图中可以看出，3个相均是故障状态，但是其电流变化趋势呈一致状态，主要是因为控制端已经检测到了串联故障，促使断路器执行了动作，避免了短路发生，产生瞬时的高电流现象，从而更好地保护了用电设备。另外对环境的影响也进行了检测，发现在控制端的调控下，电路受环境影响较小，一般产生串联故障电弧主要是因为负载过于集中或者用电设备分配不均匀引起，因此，在串联电路中应该合理分配用电和负载，尽量降低串联故障电弧的发生率，为串联电路故障评估、诊断提供了有效的结果，减轻了维护难度，保护了人员和设备安全。通过对煤矿井下供电系统串联故障电弧性能评估和诊断，对井下安全供电和稳定用电有了理论性指导，减小了井下因供电故障发生的事故，从而提高矿井的生产效率。

图5 供电系统串联电路故障电流随着时间变化的波形

4 结束语

煤矿井下供电系统串联型故障易损毁设备，发生用电事故，为了保障井下用电，采用实验和仿真的理论方法对井下的串联故障电弧进行了评估、诊断研究，得出以下结论：

（1）通过对井下供电系统串联故障电弧实验和仿真分析，发生的串联故障电弧引起的电流、电压变化较为明显，在生产中应尽量避免串联故障电弧出现；

（2）根据井下实际情况，采用仿真模拟手段对串联故障电弧和过电压进行了分析，故障引起明显的电流等变化，烧坏电机，损坏设备，易引发矿井用电事故；

（3）为了减小串联故障发生，建立数据库，为控制端认识、调控串联故障电弧奠定基础，在控制端的调控下，断路器执行动作，确保矿井安全用电。