矿用高压真空配电装置故障检测及特征提取方法的研究

摘要

本课题是国家“十一五”科技支撑计划项目“矿井通风及供电系统安全状态监测及故障诊断预警系统”(项目编号:2007BAK29B05)子课题“矿用高压配电装置状态监测及故障预警系统的研究”的延续，是针对目前矿用高压真空配电装置缺乏全面、有效的状态监测及故障诊断，以致于无法预测电气故障并及时排除隐患这一问题提出的。
　　随着大采高综采工作面生产技术的发展，采煤机和刮板输送机总装机功率不断增大，越来越多的煤矿井下采用10kV电压直接供电，随着电压等级的提升，给煤矿井下供电系统带来了严峻的考验。矿用高压真空配电装置作为矿井数量最多的高压电气设备之一，其整体性能和运行状态的好坏直接关系到煤矿井下供电系统的安全性和可靠性。但是，由于矿用高压真空配电装置所处环境恶劣，负荷变动大，缺乏对自身的参数监测和状态评估，只能依靠传统的计划检修来保证其运行正常，然而矿用高压真空配电装置在运行期间因自身故障导致的煤矿安全事故频频发生，是煤矿供电系统的重大安全隐患。由此可见，研究矿用高压真空配电装置故障检测方法对煤矿安全生产、提高经济效益具有极其重要的现实意义。
　　针对当前矿用高压真空配电装置存在的问题，本文就其状态监测及故障检测方法进行了系统研究，主要研究内容如下:
　　在现场调研和查阅资料的基础上，研究了高压真空配电装置的常见故障，分析了各故障特征，确定了矿用高压真空配电装置运行状态和各种故障的检测参量，包括真空断路器的振动信号及动作信号、二次回路分合闸线圈电流及储能电容电压、三相触头电流、真空灭弧室真空度、隔离触头温度。针对各故障特征参量的特点，分析了目前高压真空配电装置故障检测方法的优缺点，确定了本系统各故障特征参量的在线提取方法，选取了相应的传感器及安装位置。
　　针对故障检测技术要求，提出了矿用高压真空配电装置故障检测系统的整体方案，设计了高压侧无线检测子电路和低压侧检测系统主电路，其CPU分别为C8051F020单片机和TMS320F2812DSP芯片，通过nRF905无线通讯模块实现了高低压检测隔离。自主设计研制了一种红外温度传感器和一种真空度传感器，提出了一种温度补偿方法，满足了高压侧的隔离触头温度和真空灭弧室真空度检测要求。
　　在硬件电路的基础上，根据软件设计原则和技术要求，编制了下位机应用程序，主要包括数据采集程序、数据处理程序和通讯程序。数据采集程序实现了分合闸时期的快速采集和运行时的状态数据采集，数据处理程序实现了温度补偿运算、信号滤波和短时能量运算，通讯程序制定了nRF905无线通讯协议和RS-485主通讯协议，实现了各模块的数据传输。
　　在实验室对红外温度传感器、真空度传感器和故障检测系统进行了硬件电路调试，对设计的数据采集、预处理和通讯程序进行了在线调试，整体安装后进行了工业耐压试验，试验结果表明:本系统方案设计合理、检测量全面、硬件性能可靠、软件功能完善，能够快速、准确地检测各故障特征量，为高压真空配电装置的寿命评估奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 高压真空配电装置故障检测技术的研究现状

1．2．1 电力设备的故障检测技术的进展

1．2．2 矿用高压真空配电装置故障检测技术存在的问题

1．3 本文的研究目标及主要研究内容

第二章 矿用高压真空配电装置故障特征参量分析

2．1 高压配电装置常见故障

2．2 矿用高压真空配电装置故障特征参量选取

2．3 真空断路器振动信号特征

2．4 真空断路器动作信号特性

2．5 分合闸线圈电流信号特征

2．6 储能电容电压信号特征

2．7 三相触头电流信号特征

2．8 真空灭弧室真空度信号特征

2．9 隔离触头温度信号特征

2．10 本章小结

第三章 矿用高压真空配电装置故障检测基本理论

3．1 真空断路器振动信号检测及处理方法

3．1．1 检测点的选取

3．1．2 小波包理论

3．1．3 短时能量法

3．2 真空断路器动作信号检测方法

3．3 触头电寿命的评估方法

3．4 真空断路器二次回路完整性检测方法

3．5 隔离触头温度检测方法

3．6 真空灭弧室真空度检测方法

3．7 本章小结

第四章 矿用高压真空配电装置故障检测系统硬件设计

4．1 系统整体设计

4．1．1 系统设计原则及要求

4．1．2 系统结构划分

4．2 红外温度传感器的研制

4．2．1 检测原理

4．2．2 红外探测头

4．2．3 信号调理电路

4．2．4 温度补偿方法

4．3 真空度传感器的研制

4．3．1 检测原理

4．3．2 耦合电容

4．3．3 信号调理电路

4．4 无线检测子电路设计

4．4．1 CPU选型

4．4．2 供电电路

4．4．3 最小系统电路

4．4．4 信号调理电路

4．5 检测系统主电路设计

4．5．1 CPU选型

4．4．2 供电电路

4．5．3 最小系统电路

4．5．4 外扩RAM电路

4．5．5 信号调理电路

4．6 通讯电路设计

4．6．1 nRF905无线通讯电路

4．6．2 RS-485主通讯电路

4．7 本章小结

第五章 矿用高压真空配电装置故障检测系统下位机软件设计

5．1 软件设计原则

5．2 数据采集软件设计

5．2．1 检测主电路板采集子程序

5．2．2 无线子电路板采集子程序

5．3 数据处理软件设计

5．3．1 温度补偿运算子程序

5．3．2 信号滤波子程序

5．3．3 短时能量运算子程序

5．4 通讯软件设计

5．4．1 nRF905无线通讯子程序

5．4．2 RS-485通讯子程序

5．5 看门狗软件设计

5．6 本章小结

第六章 矿用高压真空配电装置故障检测系统实验与结果分析

6．1 红外温度传感器测试实验

6．2 真空度传感器测试实验

6．3 数据采集实验

6．4 通讯实验

6．5 系统耐压试验

6．6 现场安装调试

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的研究成果