煤礦井下故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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摘要：對于高壓開關(guān)柜閃弧故障的監(jiān)測保護(hù)，已得到業(yè)內(nèi)的重視，但對于煤礦井下低壓開關(guān)的故障監(jiān)測定位，目前仍是空白點(diǎn)。由于特殊的運(yùn)行環(huán)境和隔爆外殼，井下低壓開關(guān)閃弧故障概率更高，文章提出了適用于煤礦井下低壓開關(guān)閃弧故障的監(jiān)測定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了故障后的定位告警和環(huán)境監(jiān)測，方便故障檢修和快速復(fù)電。

關(guān)鍵詞：弧光監(jiān)測；防爆開關(guān)；故障定位；LoRa通信

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占比60%以上，這一現(xiàn)狀短期內(nèi)不容易改變，隨著國家《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的推出，更加凸顯煤礦供電及通信系統(tǒng)在煤礦井下生產(chǎn)過程中的重要性。防爆開關(guān)是井下供電的關(guān)鍵設(shè)備之一，最為重要的供電節(jié)點(diǎn)開關(guān)柜一旦發(fā)生故障，輕則停電影響生產(chǎn)，重則停止通風(fēng)、抽排，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬哂绊懓踩?。目前井下防爆開關(guān)眾多，一般分為10kV的高壓開關(guān)和127/660/1140V的低壓開關(guān)，相對來說高壓防爆開關(guān)影響范圍更大，受到的關(guān)注更多，智能化水平也相對高，對其故障監(jiān)測手段較為完善，但井下數(shù)量更多的是低壓防爆開關(guān)，而低壓開關(guān)種類多、廠家雜、體積小，內(nèi)部接線多不規(guī)整，自動化水平較低，一旦發(fā)生故障，不易查找，雖停電范圍不大，但關(guān)鍵設(shè)備的失電也會產(chǎn)生不可預(yù)料的重大隱患，因此有必要在井下低壓開關(guān)中安裝智能的故障定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障的快速查找，方便檢修更換，減少非計(jì)劃停電時間。[1-2]

1弧光檢測原理

1.1開關(guān)柜閃弧機(jī)理及危害

弧光是指電氣設(shè)備發(fā)出弧狀白光同時伴隨產(chǎn)生高溫的氣體放電。無論在絕緣氣體、金屬蒸氣或空氣中，當(dāng)開關(guān)的供電系統(tǒng)足夠強(qiáng)，能提供足夠大的電流（幾安到幾十安）時，使氣體擊穿，發(fā)出強(qiáng)烈光輝，產(chǎn)生高溫（幾千到上萬度），這種自持放電的形式就是弧光放電。電弧光的危害包括：生產(chǎn)安全事故———人員死傷重大事件；爆炸燃燒導(dǎo)致設(shè)備的報(bào)廢形成財(cái)產(chǎn)損失；有毒氣體造成環(huán)境污染，傷害呼吸系統(tǒng)。[3-4]

1.2弧光傳感器類型

隨著電力系統(tǒng)弧光保護(hù)裝置國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推出，弧光檢測傳感器得到了極大的發(fā)展，目前繼電保護(hù)裝置采用的弧光傳感器按傳輸模式分為光纖式和電纜式兩種，按照檢測波長分為可見光檢測和紫外光檢測兩種。如南京弘毅電氣自動化有限公司生產(chǎn)的DPR-FAS-D1弧光傳感器是光纖式紫外傳感器，以純光學(xué)手段檢測弧光信號中的紫外成分，傳感器與繼電保護(hù)裝置之間采用塑料光纖連接，在防止電磁信號的干擾和避免電氣絕緣間距減少方面具有先天優(yōu)勢。[5]

1.3防爆開關(guān)閃弧特點(diǎn)

井下開關(guān)柜由于安全需要均采用防爆外殼，外表龐大內(nèi)部空間狹小，而井下低壓開關(guān)運(yùn)行的位置一般在巷道末端，環(huán)境潮濕，灰塵較大，再加上開關(guān)柜內(nèi)接線不規(guī)整，極易產(chǎn)生閃弧現(xiàn)象。與地面供電系統(tǒng)相比，井下開關(guān)閃弧有著自己的特點(diǎn)：（1）井下供電線路均采用電纜，對地電容較大，傳輸容量有限，開關(guān)柜內(nèi)局部的放電不一定能引起開關(guān)繼電保護(hù)的動作，閃弧帶來的損傷不能被及時發(fā)現(xiàn)。（2）井下供電系統(tǒng)由于漏電故障頻發(fā)，為避免大的漏電電流均采用不接地輸電，單相接地時故障電流較小，發(fā)生單相的弧光故障時，短路能量不大，雖然會對開關(guān)柜造成損害，但不夠靈敏的保護(hù)裝置又不能發(fā)現(xiàn)。因此對井下防爆開關(guān)進(jìn)行閃弧監(jiān)測非常有必要。

2系統(tǒng)組成及工作原理

針對當(dāng)前井下防爆開關(guān)閃弧故障無法檢測的現(xiàn)狀，在充分調(diào)研低壓防爆開關(guān)結(jié)構(gòu)原理、技術(shù)水平、運(yùn)行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文提出了煤礦井下低壓開關(guān)閃弧故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由弧光傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信服務(wù)器和監(jiān)控后臺組成?；」鈧鞲衅鞑捎秒娎|式紫外檢測原理，由于低壓開關(guān)柜內(nèi)空間狹小，不利于需要較大彎曲半徑的光纖布線，且低壓開關(guān)對絕緣距離要求較低，因此低壓開關(guān)的弧光傳感器采用電纜傳輸；數(shù)據(jù)采集器安裝于低壓開關(guān)柜內(nèi)，可連接多個弧光傳感器，當(dāng)傳感器檢測到柜內(nèi)閃弧時，采集器的本地指示燈將會閃爍指示，提醒運(yùn)維人員注意，同時通過無線信號將信息傳送至通信服務(wù)器；通信服務(wù)器用于收集本區(qū)域所有開關(guān)柜內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器無線信息，將弧光故障信息轉(zhuǎn)發(fā)至4G網(wǎng)絡(luò)或井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)；監(jiān)控后臺一般安裝于地面監(jiān)控中心，從工業(yè)環(huán)網(wǎng)或4G網(wǎng)絡(luò)中提取井下通信服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的弧光故障信息，實(shí)時通知給調(diào)度監(jiān)管人員。[6]當(dāng)前煤礦井下基本實(shí)現(xiàn)了光纖環(huán)網(wǎng)的全覆蓋和4G無線網(wǎng)絡(luò)的部分覆蓋，對于井下變電站內(nèi)的防爆開關(guān)柜閃弧監(jiān)測，通信服務(wù)器可通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；對于巷道末端的通信服務(wù)器可通過4G網(wǎng)絡(luò)與地面相連。在地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時查看各井下防爆開關(guān)柜的閃弧情況、歷史數(shù)據(jù)；當(dāng)某開關(guān)發(fā)生閃弧故障時，監(jiān)控系統(tǒng)可通過聲光、彈窗等多種方式告警，提醒運(yùn)行人員注意，同時在整礦的地理結(jié)構(gòu)圖上顯示故障開關(guān)柜的地理位置，方便維修更換。

3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1弧光傳感器

弧光傳感器的關(guān)鍵器件為光敏器件，負(fù)責(zé)將特定波長的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，本項(xiàng)目的弧光傳感器采用VISHAY公司的VEML6075光學(xué)傳感器，可檢測UV-A(400-315nm)、UV-B(315-280nm)的紫外光，UV-A檢測靈敏度為0.93μW/cm2，UV-B檢測靈敏度為2.1μW/cm2，同時具備數(shù)字接口，可直接從傳感器獲取監(jiān)測到的光功率值。弧光的頻譜特性顯示弧光中成分較為復(fù)雜，覆蓋紫外波段到紅外波段，為避免自然光和井下紅外遙控器的干擾，選擇紫外光的檢測更為合適。

3.2數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器可通過弧光傳感器監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)的弧光信號，通過溫濕度傳感器監(jiān)測柜內(nèi)環(huán)境溫濕度。裝置具有簡單的人機(jī)接口界面，可實(shí)時顯示監(jiān)測信息，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線LoRa通信轉(zhuǎn)發(fā)至通信服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集器采用TI公司的MSP430單片機(jī)作為主控制器，通過IIC接口連接弧光傳感器，通過SPI接口連接溫濕度傳感器，傳感器電源由采集器提供。（見圖3）數(shù)據(jù)采集器安裝于井下防爆開關(guān)內(nèi)，通過無線傳輸信號，無需將信號線接至防爆殼體外，不破壞現(xiàn)有設(shè)備的安全性。裝置從防爆柜內(nèi)變壓器上獲取電源，同時采用超級電容儲能，在防爆開關(guān)柜故障后能繼續(xù)監(jiān)測和收發(fā)信息，確保開關(guān)故障后信息不丟失，同時持續(xù)點(diǎn)亮現(xiàn)場告警指示燈，方便查找故障。

3.3通信服務(wù)器

通信服務(wù)器主要用來收集轉(zhuǎn)發(fā)采集器采集到的弧光 及溫濕度數(shù)據(jù)，亦可用于連接站內(nèi)其他設(shè)備的無線LoRa信息，回傳通道可借用站內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)或者當(dāng)前主流的4G網(wǎng)絡(luò)，通信服務(wù)器主控制器采用ST公司的Cortex-M實(shí)現(xiàn)。通過無線LoRa接口，在井下變電站等開關(guān)柜集中的地方安裝一臺通信服務(wù)器可收集站內(nèi)所有采集器的信息，通信服務(wù)器具備本地顯示功能，可通過液晶顯示本地采集數(shù)據(jù)和無線信號強(qiáng)度，方便站內(nèi)巡視。

3.4監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件主要用來顯示井下各傳感器采集的弧光和溫濕度信息，當(dāng)井下防爆開關(guān)發(fā)生閃弧故障或溫濕度異常時，監(jiān)控系統(tǒng)通過彈出式告警提醒運(yùn)維人員，實(shí)現(xiàn)故障定位告警功能。為適應(yīng)當(dāng)前煤礦大數(shù)據(jù)平臺和智能礦山的建設(shè)需要，監(jiān)控軟件亦可提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，與其他系統(tǒng)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)動，例如當(dāng)某開關(guān)發(fā)生閃弧故障時，可與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，在監(jiān)控中心大屏上顯示該開關(guān)的視頻圖像；與廣播系統(tǒng)聯(lián)動，向開關(guān)現(xiàn)場播放語音，提醒現(xiàn)場人員注意；與供電系統(tǒng)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷切換，通過備用線路實(shí)現(xiàn)供電。

3.5設(shè)備安裝

弧光傳感器是光敏器件，用于檢測故障電弧的光信號，因此安裝時盡量正對故障易發(fā)點(diǎn)，采用磁吸式安裝，方便調(diào)整對光角度，現(xiàn)場安裝時一般將傳感器鏡頭對準(zhǔn)防爆開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān)觸頭；數(shù)據(jù)采集器安裝于防爆開關(guān)內(nèi)，采用螺栓固定，采集器的天線需固定于開關(guān)的防爆窗口，便于無線信號穿透玻璃窗。由于井下巷道墻壁對無線信號的吸收作用極強(qiáng)，無線信號在煤礦井下傳輸距離大打折扣，因此通信服務(wù)器一般安裝于井下變電站中部，便于接收站內(nèi)所有開關(guān)柜的無線信號，同時需將接收天線遠(yuǎn)離墻壁，盡量抬高，經(jīng)過實(shí)測通信服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集器之間的最遠(yuǎn)通信距離在井下可達(dá)300m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過井下變電站的空間長度。

4系統(tǒng)應(yīng)用

陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司屬于高瓦斯礦井，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠尤為重要，針對當(dāng)前地面變電站母線無主保護(hù)、井下低壓防爆開關(guān)通信不暢的現(xiàn)狀，公司地面變電站采用了南京弘毅電氣的DPR361ARC弧光保護(hù)系統(tǒng)，井下低壓開關(guān)采用DPM341ARC閃弧故障定位系統(tǒng)，地面數(shù)據(jù)中心搭建了綜合自動化監(jiān)控中心，接入繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)和閃弧故障定位監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了地面井下所有開關(guān)柜的閃弧故障監(jiān)測和保護(hù)功能。當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生短路、接地等電氣故障時，保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并切除故障，并告知調(diào)度運(yùn)行人員，便于快速修復(fù)，提高了供電系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜監(jiān)測的智能化。[7]自該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，監(jiān)控中心通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，電氣參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，雖暫未發(fā)生閃弧故障，但該系統(tǒng)為運(yùn)行檢修人員提供了更好的安全保障。

5結(jié)束語

煤礦井下低壓開關(guān)閃弧監(jiān)測系統(tǒng)針對井下供電系統(tǒng)監(jiān)測的空白點(diǎn)，將光學(xué)手段和電子信息技術(shù)、無線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)故障的遠(yuǎn)程監(jiān)測、環(huán)境預(yù)警和故障定位，縮短了運(yùn)維檢修時間，提高了井下供電的安全性。井下開關(guān)閃弧故障定位系統(tǒng)同時能夠與其他相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動，牽一發(fā)而動全身，針對單一故障而全系統(tǒng)共同行動，減少事故損失。

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作者：王德巖 岳興輝 單位：陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司