基于FTA的煤礦工作面供電系統(tǒng)故障分析

閆亞恒

（潞安集團電力中心，山西 長治 046000）

0 引言

隨著煤礦開采技術(shù)和工藝不斷進步，機械化生產(chǎn)需要配套各類采掘設備、運輸設備、通風設備、排水設備以及安全監(jiān)控系統(tǒng)［1-3］。為了確保各類設備正常運轉(zhuǎn)，首先就要確保設備區(qū)域供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時采煤工作面內(nèi)的供電系統(tǒng)相對整個系統(tǒng)而言，工作區(qū)域、負荷、結(jié)構(gòu)都會隨生產(chǎn)需要進行調(diào)整，這類變化導致該區(qū)域內(nèi)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性會低于其他永久設施區(qū)域。同時非計劃性停電導致各個子系統(tǒng)無法正常工作，瓦斯積聚、地下水無法正常排出等問題就會隨之出現(xiàn)，所以確保井下生產(chǎn)系統(tǒng)的正常供電安全對礦井生產(chǎn)十分關(guān)鍵［5-6］。因此，需要及時發(fā)現(xiàn)和控制影響工作面供電系統(tǒng)正常工作的隱患，保障井下生產(chǎn)正常的用電需求。

1 供電系統(tǒng)故障類型分析

1.1 線路與連接器故障

環(huán)境因素，井下潮濕環(huán)境、有害氣體會腐蝕供電線路的絕緣層，長期腐蝕會降低線路絕緣性能導致漏電現(xiàn)象［7-9］。此外，質(zhì)量因素則是線路絕緣性能較差，高電壓會導致絕緣擊穿或環(huán)境腐蝕導致絕緣失效；連接器本身密封性能或絕緣物封灌不良，在潮濕環(huán)境下易進入水汽或直接浸水，從而導致短路。井下作業(yè)環(huán)境內(nèi)大型設備、物料較多，巷道內(nèi)敷設的線路受到作業(yè)空間內(nèi)的軌道、支護鋼架或其他重物相互擠壓、磨損引發(fā)線纜絕緣失效，或不可預知的牽引絞繩斷繩飛出會直接打斷線纜。線纜絕緣物質(zhì)受氧化作用具有使用年限限制，同時電流通過產(chǎn)熱和潮濕水汽也會加速老化，一旦絕緣失效導致漏電或短路；線纜工作電流應低于設計工作運行電流，長期功率過載或電壓異常會擊穿或破壞線纜。

1.2 移動變電站故障

移動變電站內(nèi)出現(xiàn)問題易導致供電系統(tǒng)故障的裝置主要是開關(guān)機構(gòu)故障、漏電保護機構(gòu)故障、變壓器故障［10］。移動變電站內(nèi)控制開關(guān)觸頭安裝間距接觸不良、爬電距離和電氣間隙過小，開關(guān)絕緣電阻小于設計值，易發(fā)生相間放電導致系統(tǒng)短路。移動變電站內(nèi)開關(guān)通常采用防爆型漏電保護開關(guān)，而開關(guān)漏電保護裝置一旦失效，低壓端短路出現(xiàn)，保護機構(gòu)不跳動，會造成系統(tǒng)停電和設備損傷。移動變壓站內(nèi)部干式變壓器內(nèi)線圈絕緣部分易受損傷，應避免不必要的沖擊等傷害，導致線圈絕緣損傷，干式變壓器的故障會引發(fā)供電系統(tǒng)故障。

1.3 電源控制柜、開關(guān)柜故障

開關(guān)柜內(nèi)防爆開關(guān)漏電保護部分故障，用電設備過載及短路不能正常脫扣斷開饋電回路，導致供電系統(tǒng)中出現(xiàn)越級停電現(xiàn)象，引發(fā)電氣系統(tǒng)中大范圍斷電停運現(xiàn)象。人為因素，生產(chǎn)過程中作業(yè)人員非正常接觸開關(guān)柜導致漏電或短路現(xiàn)象，或維修過程中誤操作打開母聯(lián)開關(guān)導致漏電或短路，進一步引發(fā)大范圍停電。

1.4 用電設備故障

井下用電設備常見的故障主要有漏電、短路和控制器故障。對于漏電故障，通常情況下漏電主要由于用電設備內(nèi)部線路和部件絕緣性能下降或爬電距離縮小，具體原因有外部損傷、絕緣老化、異常高電壓擊穿等；對于短路故障，絕緣失效也是短路故障主要原因之一，設備內(nèi)部絕緣失效易導致電弧放電、相間短路，同時用電設備過載也是主要闡述設備內(nèi)部線路短路的主要因素，超載或頻繁啟動設備等過載現(xiàn)象會導致電壓升高、線路或其他用電元件異常發(fā)熱，繼而導致設備短路；而對于控制器故障，控制器失效的原因分別為程序紊亂和物理損傷。系統(tǒng)紊亂會導致設備使用功能紊亂或失效從而無法正常操控；物理損傷即受到外力作用控制單元連接失效導致整體設備無法正常操控，如安裝過程中的控制單元接線錯誤、接頭虛接，或者受到震動等外因?qū)е戮€路松動、元件焊接脫焊，或超載導致控制器內(nèi)各單元燒損。

2 工作面供電系統(tǒng)失效故障樹模型的建立

故障樹分析法是安全系統(tǒng)學內(nèi)對可靠性事件主要分析方法之一，該方法結(jié)構(gòu)簡單、邏輯清晰，并且可以通過數(shù)理方法對被評價事件進行定性和定量分析，得出不同底層事件對頂上事件的影響概率以及頂上事件發(fā)生概率。通過導致頂上事件的各類直接原因，以及導致這些原因的底層事件，層層展開，查找事件真正觸發(fā)因素，將事件中的各個相關(guān)因素通過邏輯運算符號相互聯(lián)結(jié)，自頂上事件逐級展開，形成完整的邏輯關(guān)系網(wǎng)絡構(gòu)成對頂上事件的分析模型。再次根據(jù)定性分析查找失效事件的關(guān)鍵控制點，優(yōu)化和控制隱患點。再通過數(shù)理統(tǒng)計方法對各類基礎事件的概率等可知數(shù)值進行處置，對各類因素進行分析和判斷，對系統(tǒng)相關(guān)設計、加工和維護等方面進行適當優(yōu)化建議，為提高系統(tǒng)可靠性能提供相應幫助。

2.1 故障樹模型

通過故障樹分析法建立礦井工作面供電系統(tǒng)失效故障樹模型，將導致供電系統(tǒng)失效的中間事件分為線路與連接器故障、移動變電站故障、開關(guān)柜故障和用電設備故障4類原因。再對該中間事件再次展開查找失效事件的底層基礎事件，從而構(gòu)建礦井采煤工作面供電系統(tǒng)失效故障樹模型。詳細模型如圖1所示。

2.2 故障樹分析

可能致使故障樹頂上事件發(fā)生的最小基本底層事件的集合被稱為該故障樹的最小割集。進行最小割集計算的方法眾多，如行列法、矩陣法、結(jié)構(gòu)法和布爾代數(shù)法等，選取布爾代數(shù)進行該模型的最小割集計算

圖1 煤礦采煤工作面供電系統(tǒng)失效故障樹

可以得出故障樹中存在17個最小割集，即17個基本事件：X1、X2、…、X17。故障樹內(nèi)各個基本事件發(fā)生都會引起系統(tǒng)失效事件發(fā)生。

由于實際各個基本事件發(fā)生概率統(tǒng)計不便，為了確定基本事件在整個分析模型中的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，文中通過最小割集盤點各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度順序，從而確定各事件在系統(tǒng)的優(yōu)先控制順序如下

通過結(jié)構(gòu)重要度確定的排序與各結(jié)構(gòu)在整個供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也基本一致，對電源控制柜故障應優(yōu)先控制，而后依次為移動變電站類故障和線路故障，最后為各用電設備類故障。

3 提高供電系統(tǒng)可靠性的措施

為達到提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，提出通過加裝配電實時監(jiān)控系統(tǒng)，建立故障檔案，建立合理故障巡查和維修制度，提高操作人員安全意識和專業(yè)技術(shù)水平4個方面。

3.1 井下供配電實時監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安全管理人員通常依靠井下安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r了解井下通風系統(tǒng)狀態(tài)、各關(guān)鍵有害物質(zhì)情況、井下設備與人員位置等信息，為了提高供電系統(tǒng)管理的效率，有必要單獨引入礦井供電在線監(jiān)測系統(tǒng)，或在安全監(jiān)控系統(tǒng)基礎上增加對井下供電系統(tǒng)的管理。通過對井下供電系統(tǒng)中各個單元的實時監(jiān)控及時發(fā)現(xiàn)故障、判斷故障原因并制定安全處置措施，對故障區(qū)域內(nèi)的供配電狀態(tài)及時通過在線系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，配合故障維修工作，最大限度控制供電故障對生產(chǎn)構(gòu)成的損失。

3.2 建立故障檔案

為供配電系統(tǒng)中各電氣裝置的故障類別、故障率、損傷程度進行綜合統(tǒng)計，并根據(jù)類別進行分類，建立故障臺賬和檔案，為故障判斷、關(guān)鍵控制點確定提供指導作用。同時使用專業(yè)設備定期為配電裝置及電氣設備進行非損傷性能檢測，可以引入設備檢修仿真模擬軟件輔助維修，配合供電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)完成對供電裝置及設備狀況的了解。

3.3 礦井供電設施日常維修

礦井生產(chǎn)與普通生產(chǎn)企業(yè)有很大區(qū)別，生產(chǎn)區(qū)域經(jīng)常發(fā)生變動，采區(qū)內(nèi)供電和用電設備的移動性和變化性，導致用電負荷由于采區(qū)變化和用電設備功率容量變化而經(jīng)常性需要進行調(diào)整，用電運行參數(shù)變化應及時進行調(diào)整升級供電系統(tǒng)。應制定較為完善的供電系統(tǒng)定期巡查檢修計劃，以便及時發(fā)現(xiàn)電氣系統(tǒng)中安全隱患。例如井下供配電線路、防爆電氣設備的電氣絕緣是否出現(xiàn)破損或其他功能異常，及時替換和維修。嚴禁使用超出使用年限、不滿足安全及性能要求的供電設備。

3.4 加強操作人員安全意識與專業(yè)技能

作為供電系統(tǒng)維護和使用的主體，如何提高井下管理和作業(yè)人員安全意識，對提高供電安全和供電系統(tǒng)質(zhì)量是最為重要的。其次作業(yè)人員專業(yè)技能水平也會嚴重影響到系統(tǒng)安裝、調(diào)節(jié)和維護的質(zhì)量，所以應對井下操作和維護人員展開針對性的安全以及專業(yè)性培訓，通過技能講座、技能交流、技能考核、技能鑒定等多種方式提升作業(yè)人員作業(yè)水平。最后，應規(guī)范井下用電作業(yè)流程，提高作業(yè)人員應急處置效率，對突發(fā)故障及時進行排查，判明故障原因和制定處置方案，避免事故擴大。

4 結(jié)語

礦井作業(yè)環(huán)境惡劣，同時采煤工作面供電系統(tǒng)會隨采煤工作的需要進行移動和調(diào)整，多種原因?qū)е碌V井采煤工作面供電系統(tǒng)故障幾率會高于其他區(qū)域。通過故障樹分析法對采煤工作面供電系統(tǒng)失效事件進行研究，將失效分為4個中間事件，即：線路與連接器故障、移動變電站故障、電源控制柜故障和用電設備故障事件，最終將導致和影響工作面供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素劃分為17個基本事件，并確定結(jié)構(gòu)重要度。為了提高和改善工作面供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，一方面在技術(shù)上通過實時供電監(jiān)控提前發(fā)現(xiàn)隱患，通過建立故障檔案、加強巡查和維護以及提高作業(yè)人員素質(zhì)與能力等管理措施；另一方面，結(jié)合礦井實際，針對性開展礦井供電系統(tǒng)的維護，確保正常生產(chǎn)秩序。