礦用高壓柜隔離開關觸頭溫度系統的設計

穆瑞軍

（陽煤集團五礦， 山西 陽泉 045008）

引言

在井下高壓開關柜相當重要，不僅關系著地下各類機電設備的運行，而且直接影響井下各項工作的進行。然而，由于礦山一直在發展，井下不斷新增需要用電的設備，整個井下供電系統很有可能處在臨界值甚至超過臨界值運行。高負荷甚至超負荷運行狀態下，不僅對井下高壓電纜有損失，對高壓柜隔離開關更是有很大的影響，其觸頭處持續發熱，嚴重情況下會連續升溫，達到表皮燃點，造成火災事故[1]。因此，需要設計出一個觸頭溫度的監測系統，對觸頭處的溫度進行監測，一旦到達預警值，立刻采取對應措施，避免井下電氣火災事故的各類損傷。

1 系統設計的目標

以煤礦為例，根據其井下高壓柜常處的環境以及需要達到的功能，將井下觸頭溫度系統所需要達到的程度總結為以下幾點：

1）傳感器探測觸頭溫度，轉換為電信號直接反應到上位機，要保證測量的即時性；

2）信號傳輸要穩定，不受其他自動化設備的電磁干擾，要保證在覆蓋區域內的信號傳送不失真；

3）檢測系統要能持續工作較長時間，因此需要有獨立的供電方式。如果采取接入供電網路中，一旦溫度超過閾值之前瞬間短路，則無法達到規避風險的目的。

2 設計方案的選取

設計方案主要包括三個方面，分別是溫度檢測的方式、電力供給的方式和信號傳輸的方式[2]。

2.1 溫度檢測的方式

根據檢測儀器是否與檢測點有接觸，將溫度檢測的方式分為接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測通過溫感元件將溫度的變化轉換為電信號，對觸頭處的溫度實行檢測。此方法的優點在于檢測精準，很小的溫度變化都能夠有反應，同時設備的價格也相對較低，而且由于其本身就接入電網循環中，無需額外電力供應。非接觸式檢測則指的是紅外檢測和光纖檢測這兩種溫度檢測方式，兩者的對溫度的檢測十分精準，測量的誤差較小，但是光纖檢測器的售價較高，不利于在礦井中多處、大量配備此設備。相比于光纖檢測器，紅外檢測價格相對便宜一些，但是最大的缺點在于無法測量微小的器材，而井下高壓開關的觸頭就恰巧屬于這類微小的部件，因此也不予考慮。結合以上分析，對高壓開關觸頭的溫度檢測選取接觸式檢測，即選用溫感元件檢測觸頭處的溫度變化。

2.2 電力供給的方式

參考國內外井下電氣管理的經驗，溫度檢測系統的電力供給可以借鑒這些方法，根據電力是否需要外部傳輸可以分為自給式和傳輸式。

自給式供電，指電力的供給依靠安裝在設備上的電池。自給式供電又可分為兩種，一種是只安裝大容量電池，此方法的優點在于不需要鋪設線路，方便快捷，缺點在于電池需要定期更換，檢修相對麻煩。另一種自給式供電指的是安裝太陽能和風力發電機，再配以一定容量的蓄電池，靠高壓開關所處環境發電，以供系統所用，缺點也很明顯，就是對環境的依賴度高，一旦無風無光，就會陷入無電可用的境地。傳輸式供電，指的是將檢測系統的供電接入原有電網中，優點是方便、省事，缺點就是故障發生后無法達到檢測的效果。綜合分析井下的條件和經濟因素，選擇電池供電，保證故障發生時的檢測可靠度。

2.3 信號傳輸的方式

參考井下通訊的信號傳輸方式，溫度檢測系統的信號傳輸分以下四種：光纖傳輸、電力線載波、公用無線通訊網網和無線射頻技術。

1）光纖傳輸的優點在于高帶寬，傳輸質量和速度有保證；缺點就是光纖的鋪設耗錢耗力，成本難以接受，因此不考慮此方式。

2）電力線載波就是人們常說的PLC通信，全稱Power Line Carrier。是將信息傳輸依附在電網之上，通過電流攜帶信息進行數據傳輸。此方式方便快捷，但是電網自身的電流變換對信號的傳輸影響很大，無法保證信號傳輸的質量。溫度系統中傳輸的信號本身強度就不大，極易被干擾，因此此方式也不予考慮。

3）公共無線通訊網的成本較高，每年都需要支付服務費，這對于礦山企業來說很不實惠，因此此方式也排除掉。

4）無線射頻技術，ZigBee是一種功率和經濟消耗都在可接受范圍內的無線傳感網絡通信協議，適合于井下信號的傳輸，因此溫度系統的信號傳輸采用此方式。

3 系統設計

3.1 系統的組成

以煤礦為例，針對煤礦井下35 kV高壓柜隔離開關觸頭的溫度進行檢測，在觸頭處接入溫感傳感器，將溫度的變化轉變成電流強度的變化，通過無線射頻技術把攜帶的信息傳輸到電腦上，電腦判斷是否達到溫度預警值，如果達到或者超過，反饋到報警器，避免觸頭處溫度過高造成危險[3]。系統結構圖如圖1所示。

圖1 礦用高壓柜隔離開關觸頭溫度系統結構示意圖

將信息傳輸到電腦后需要電腦對信息進行實時顯示，工作人員才可以準確得知觸頭溫度，同時，軟件部分還應對接受信息進行分類和管理，比如設定時間段的數據對比、周期性的數據對比，為檢修和維護提供參考，軟件功能結構圖如圖2所示。

圖2 礦用高壓柜顆粒開關觸頭溫度系統軟件功能結構圖

3.2 數據的處理

對于電腦端收集到的數據，需要對其進行分檔和歸類，以便后期查詢和分析，主要有以下幾部分功能。

3.2.1 預警功能

數據處理最主要的功能便是預警功能，當監控到的溫度到達危險值時，立刻觸發報警裝置，如果條件允許，最好能夠再配備一套聯鎖裝置，將溫度較高的線路切換到備用線路，待一段時間后再繼續使用。

3.2.2 信息儲存功能

除了危險預警之外，信息的儲存也相當關鍵。在獲得溫度信息后，將其進行儲存，可以設定儲存的時間間隔為10 s一次，可以得到一段時間內，溫度與時間的關系，以便分析出高壓開關多久會升溫到危險值，同時，在報警之后，報警信息也要被儲存，這也是安全生產標準化的一種踐行措施。

4 試驗驗證

針對硬件部分，主要試驗驗證三個部分，第一部分，傳感器的可靠度；第二部分，信號傳輸的可靠度；第三部分，電腦信息儲存功能可靠度。

4.1 傳感器可靠度檢驗

在同樣的溫度下，考慮到井下的環境，以零下10℃到零上70℃為溫度區間，每10℃為一個測量步長，檢測傳感器和溫度計測得的數據，如表1所示。

表1 測試數據

試驗結果表明，傳感器檢測和溫度計溫度誤差較小，具有極高的可信度，完全符合現場需求，可以使用。

4.2 信號傳輸可靠度檢測

在空曠房間中，以10 m為步長，移動發射源，試驗結果表明，在完全無阻礙的情況下，信號傳輸距離可以達到100 m。模擬井下環境，將其表面用石板覆蓋，試驗結果表明，在完全覆蓋的情況下，信號傳輸距離為5 m。由此證明，信號傳輸完全滿足井下需求。

4.3 數據存儲檢測

將電腦中接收的數據導出并打印出來，以30 min為時間間隔，預測下個30 min的溫度，其結果表明，在危險溫度的區間內，根據其溫度上升的趨勢，可以較為精確的預測到到達預警值的時間。同時，以20 d為周期，在5個周期內，數據都得到了較好的保存，證明其數據存儲可靠性滿足井下需求。

5 結語

結合井下環境，得到礦用高壓柜隔離開關觸頭溫度系統理論上應該達到的程度，根據現有的技術條件，分別選取溫感元件為溫度檢測的方式、電池供電為系統電力供給方式以及無線射頻技術為信息傳輸方式。以此為依據，設計出一套礦用高壓柜隔離開關觸頭溫度系統，經過試驗驗證，其溫度檢測、信息傳輸以及數據儲存的可靠性都很高，滿足井下需求，說明此系統設計合理，對保障礦山安全生產具有重要的意義。