基于WAMS系统对煤矿高压电缆故障双端定位方法研究

2020-05-14张香平

机电工程技术 2020年3期

张香平

（大同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司，山西大同 037042）

0 引言

在煤矿井下对供电系统的要求比较高，同时需要保证质量、可靠性和安全性。一旦出现故障，需要及时排除，尽快恢复矿井供电。目前，虽然地面国家电网故障定位技术较为成熟[1]，然而，在煤矿井下高压电缆中故障定位技术还存在一定差距，现今煤矿仍使用人工检查方法判断故障点，并不符合智能化电网的发展规划[2]，存在效率和安全性低、判断误差大等问题。因为煤矿井下巷道空间狭窄，空气湿度高，这不利于电气设备和电缆的保护，它们很容易被碰撞或者因拖拽而造成损坏，电缆绝缘效果变差，常常会出现漏电，影响人员安全，矿井生产。如果故障无法及时消除，甚至造成瓦斯和煤尘爆炸等严重事故。在地面数字化变电站中已经开始使用WAMS技术及IEC61850协议，在一定程度上促进井下供电配电系统的完善。借鉴这一理论经验技术，提出基于WAMS双端行波法对煤矿高压电缆故障定位，准确识别电缆故障所在位置，为检修、维护提供有利的技术保障，这对矿井供电系统来说具有重要意义。

1 WAMS双端定位原理

当煤矿井下电缆出现故障时，若想要尽快恢复供电，则需要在线实时跟进测量电缆中的电压、电流等参数，对故障的位置进行及时的判定，避免故障位置放电，否则会引发更多事故，比如爆炸、火灾等。矿井对井下电缆故障定位所使用的设备设施[3]如图1所示。

图1 井下电缆故障定位设备

广域测量系统简称WAMS系统[4]，WAMS系统的基础是PMU单元，利用PMU测量可以将测量值进行传输，最终储存于数据采集器中。通过特定数据处理，可以添加更多的高级功能。其中，系统使用双端定位方法来判断线路故障，如果电路出现了故障，此时在故障点的两端会产生一些暂态信号，行波信号可以通过叠加进行分析，也就是通过对故障进行加深，然后将具有相同电压幅度和相反方向的虚拟电压源添加到故障点。WAMS双端定位原理如图2所示，图中表示的是在接入虚拟电压源时，线路产生一个浪涌信号。在故障F前测量的电压是ef，在故障点后电压会被拉低，直到与大地等电势，这可以理解为开关K闭合。同时，WAMS系统会和虚拟电源连接产生行波信号，向两端传播，直到遇到终端波阻抗，最终停止传播。其中，一些能量被折射、传递给其他元件中；另一部分能量会被反射，最终回到故障线路中。如果反射回故障线的信号再次同故障点相遇，会出现二次折射和反射。基于这种原理，由故障点产生的信号在线路中连续振荡并衰减，直到新的稳定状态，这就是基于WAMS系统对煤矿井下高压电缆故障双端定位的原理。

图2 电缆故障双端定位原理

2 高压电缆故障双端定位

2.1 WAMS系统结构

高压电缆故障定位的WAMS系统主要分为3个部分，分别是控制中心、光纤通信和PMU[5]。

（1）PMU结构及工作原理

图3所示为PMU的结构运行示意图。PMU工作原理是通过GPS接收器可以发送脉冲信号，其间隔时间1 s后PMU进行接收[6]，发出脉冲信号的频率为50 Hz。另一路通过抗混叠滤波器模拟频域，传输到A/D采样模块中，最终得到数字信号。

图3 PMU结构

在采样脉冲发生器中，主要以1pps（1个秒脉冲信号）为划分标准，对脉冲信号进行界别。当脉冲信号符合预定的时间和频率设定时，就可以启动A/D采样模块。定时系统可以保证信号的同步采集，在煤矿井下定时系统中，采用单向定时系统对PMU定时，从而提高了系统的安全性，保证了其工作可靠性。在条件允许的情况下，采煤机工作时，最好采用双系统定时PMU。

（2）控制大脑

在WAMS系统中，控制中心相当于“大脑”。它的主要功能就是接收每个PMU上传的电压和电流等数据，保证数据的实时性。与此同时，WAMS系统控制中心对收集到的数据进行分析、判断和处理，不仅可以对数据进行分享，同时可以保证数据实时储存，随时可以查询历史数据，具有抗干扰抗震荡等特点。控制中心的组成相对简单，主要由CPU主板、PLC控制器、数据服务器等组件构成，数据服务器可以进行实时数据服务，并配有有监视系统和管理系统。

（3）通讯

在WAMS系统中的PMU和控制中心之间，通讯电缆将二者联系起来，PMU前端信号经通讯电缆传输至控制中心，控制中心发出的命令经通讯电缆传输给PMU执行。该WAMS系统的稳定性以及快速性，是保证PMU能够实时收集信号的基础。为了保证数据传输的实时性和稳定性，通讯电缆采用高速光纤环网，将每个PMU得到的数据都快速传送到控制中心。同时，配备ISEC61850通信协议对井下变电站的分层结构进行定义，有益于WAMS系统对井下高压电缆故障定位起到辅助性作用。

2.2 双端定位故障仿真分析

利用WAMS系统中的双端定位方法对高压电缆单相短路、两相短路以及单相断路故障进行了仿真模拟，仿真结果如表1～3所示。通过对仿真结果进行分析，可以得知在双端定位方法下，定位误差小。采用WAMS系统双端定位方法对高压电缆单相短路、两相短路以及单相断路故障相对误差均不超过3%，这表明该方法具有可行性。即使仿真建立的线路模型不等于实际的传输线路，它依然可以反映一些实际情况，对井下采用WAMS系统中的双端定位方法判断高压电缆故障具有一定的理论指导。从仿真结果能够得出利用WAMS系统中的双端定位方法对煤矿井下高压电缆故障检测效果十分显著。

表1 单相短路故障定位

表2 两相短路故障定位

表3 两相断路故障定位

2.3 双端定位故障应用研究

把WAMS系统双端定位电缆故障应用于矿井，其整个构成以及运转示意如图4所示。利用WAMS系统双端定位分别对煤矿井下高压电缆各种电缆故障类型进行了检验，应用表明WAMS系统双端定位井下高压电缆故障主要有以下特点：

（1）可操作性强，WAMS系统设备实现测磁电缆和控制台的直接分开，提高了可操作性；

（2）定位故障位置精准，能够直接定位出故障的位置，在地面集控中心显示端直观显示高压电缆所在位置；

（3）响应速度快，能够快速准确地发现故障点，从而快速修复故障，尽快恢复工作，确保井下供电系统安全。

图4 WAMS系统双端定位井下电缆故障

在对磁测量电缆的故障进行判断时，可以使用WAMS系统中脉冲电流法，它具有定位准确，速度快的优势，同其他修复方法相比，修复效率高。WAMS系统双端定位解决了矿井高压电缆故障定位难问题，不仅定位精准，而且具有修复功能，实用性高，大大降低了电气维修工人检修强度，确保了井下作业人员安全，为矿井安全供电提供了保障[7-8]。