煤礦井下智能化中央變電所的研發與應用

田旭東，董 軍，閔祥晟

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100）

1 概述

興隆莊煤礦作為兗礦集團重點礦井之一，是中國自行設計和建造的第一座設計年產量300萬t的大型礦井。井下中央變電所作為生產供電的關鍵樞紐，是井下正常生產關鍵保障，但變電所設備老化、故障率高、自動化程度低，變電所日常巡檢維護占用大量人力物力，給煤礦正常安全生產帶來不利因素。

為貫徹落實山東省加快新舊動能轉換重大工程，加快實施自動化、信息化、智能化建設，根據兗礦集團“三化”融合發展的指導意見，興隆莊煤礦提出建設井下智能化中央變電所的技術開發與應用項目。

智能化變電所的研發與應用項目是將整個變電所的運行狀態實時檢測、故障分析、設備健康狀態診斷、電能計量統計分析以及停送電操作均可實時在線監控，提高變電所運行的可靠性和管理的高效性，真正實現變電所的無人值守，對建設智能、高效、節能的現代化礦井具有重要的意義。

2 關鍵技術及創新點

智能化開關柜：開關柜的智能化設計，增加無線測溫、弧光保護、斷路器合分閘電氣參數檢測、斷路器機械特性參數檢測等成套傳感器，增加斷路器手車及接地刀電動操作功能。

智能化巡檢：采用溫控監測、煙霧探測、紅外成像設備，實現變電所智能化巡檢，可長距離移動式視頻信號采集、智能追蹤、報警、對講、按指定路線巡回監控指定對象。

智能化管理：開發全生命周期管理系統，實時準確感知高壓開關設備運行狀態和健康狀況，可提供元件壽命預測、故障診斷分析、電量數據統計分析等供電系統的全生命周期管理服務。

3 研究開發內容

3.1 智能型高壓開關柜設計

智能型高壓開關柜采用全電動操作系統，可實現斷路器的遠程搖進搖出、斷路器的遠程合分、地刀的遠程合分等功能。具備無線測溫、弧光保護、電量參數采集、斷路器機械特性檢測等功能。

全電動操作：接地刀的遠程電動合分、斷路器手車的遠程搖進搖出、斷路器的遠程合分。

合分閘線圈的保護：通過電流、電壓傳感器，采集合分閘線圈電壓、電流信號，對異常狀況進行保護。

輔助電機保護：監測斷路器儲能電機、電動底盤車電機、電動地刀動作電機的回路電流，記錄電機運行的電流及運行時間，當電機工作異常時，報警并選擇性切斷電機工作回路。

機械特性診斷：通過角位移傳感器采集斷路器動作的行程曲線，分析斷路器的合分閘速度和觸頭開距，發現斷路器存在的潛在問題。通過彈簧拉力傳感器采集斷路器彈簧拉力的大小，據此推斷設備使用壽命。

內部重要部位可視化：安裝柜內攝像頭，監視斷路器觸頭進出、地刀合分到位狀況，有效避免誤操作，預防事故發生。通過柜內攝像頭監測，對柜內弧光現象進行快速判斷，最快動作時間2.89ms，可提醒操作人員切除故障。

智能診斷系統與保護控制系統相互獨立，增加以上功能并不影響開關柜固有的保護控制性能。

3.2 主要元件功能

3.2.1 輔助電控系統

輔助電控系統包含電動地刀控制和電動底盤車控制，可實現對驅動電機的控制和保護，具有就地和遠方兩種操作模式。控制器可在驅動電機運轉受阻（如安裝不到位或機構卡死）達到保護條件時立即對電機制動，并逆向驅動電機解除悶車卡死狀態，保護電機安全。

3.2.2 無線測溫技術

基于SAW（聲表面波）技術，采用無源無線的測溫方式，有效的解決了傳統測溫紅外、光纖及有源無線測溫系統在安全性、可靠性、穩定性、實用性等方面存在的問題。傳感器無線無源，安裝于斷路器觸臂表面時，不與帶電體存在任何電氣關聯，不破壞斷路器原有結構，對斷路器絕緣性能、開斷能力等不產生任何影響。根據需要或關鍵位置點安裝溫度傳感器，實時將關鍵點的溫度傳輸傳至在線監測后臺系統，根據溫度變化波形，預判可能發生故障的位置，提醒運維人員及時處理。

3.2.3 弧光保護系統

在柜內安裝壓力及光纖傳感器作為電弧光的探測單元。電弧光現象會產生強烈的光輻射，弧光傳感器能夠探測到這種光輻射，會立即發出動作信號給斷路器。弧光保護系統能快速切除故障，有效降低電弧光的危害，為設備和運行人員的安全提供可靠保護，最快動作出口僅2.89ms。

3.2.4 柜內視頻監控

智能型高壓開關柜斷路器室、電纜室內放置有微型攝像頭，可在后臺顯示設備上實時查看斷路器進出、地刀合分狀況。

3.2.5 開關柜核心部件-智能斷路器

智能斷路器集成各種參數傳感器，在線監測控制器實時監測斷路器運行參數與健康狀態，增加的傳感器不影響斷路器固有機械特性。

3.3 智能型低壓配電開關柜

以智能型低壓斷路器為核心元件，集控后臺以通訊的形式向斷路器智能模塊發出動作指令，實現開關柜的“遙合”、“遙分”、“遙調”、“遙測”。

開關柜具備電壓、電流等電量參數的實時監測；故障信息的分析、記錄；通過檢測斷路器觸頭磨損情況分析斷路器的使用壽命及健康狀態。

具備絕緣監視功能，主檢、分檢配合使用，主檢作為監視主導和后備保護，即可保證絕緣泄露時的動作可靠性，又可避免保護誤動作。

3.4 智能巡檢系統

采用變電所頂部吊裝方式，環配電柜敷設巡檢攝像頭軌道。智能巡檢攝像頭采用無纜接線方式，軌道攝像頭采用安全蓄電池供電。配合智能巡檢監控系統，實現對全變電所智能巡檢，并可將影音數據上傳至系統后臺處理分析。

圖1 智能巡檢系統攝像頭

智能巡檢系統具備以下功能及特點：

1）可掛載音視頻采集設備、影音播放設備、溫控檢測設備、紅外成像設備。

2）有長距離移動式視頻信號采集功能。

3）重點監控對象地理位置記憶功能。

4）自動智能巡檢監控對象。

5）智能追蹤、報警、對講、變速、規避障礙等。

6）誤差精度不超過5mm。

7）可滿足直線、環形、曲線、升降位置的需求。

8）可實現無電纜供電、信號的無線傳輸功能。

9）0～600s內按指定路線巡回監控指定對象。

10）視頻智能識別，對監控區域的異常行為發出警報信號，并傳輸至后臺集控室，實現變電所的無人值守。

11）具備視頻存儲回放功能，巡檢資料可存儲一個月。

12）配有可燃氣體、煙霧傳感器，為消防系統提供警報信息。

3.5 安全生命周期管理系統

安全生命周期管理系統作為智能化變電站的核心內容，具備以下功能：實時準確感知高壓開關設備運行狀態，反映高壓開關健康狀態，為變電所安全穩定運行提供可靠的技術支撐。能夠分析開關設備的動作時間、動作特性、儲能時間、分合閘線圈電流、儲能電機電流、底盤車電機電流等數據，針對不同故障模式研究其失效機理，確定失效判定指標，分別開展基于現有狀態評估的時效定量分析技術研究，并針對不同的失效機理建立失效物理模型。對系統負荷的用電量采集、匯總、分析，繪制出電能計量曲線、用電量的日度、周度、月度報表。為用戶的生產管理、內部考核提供參考依據。

3.5.1 設備的健康管理

通過對設備運行數據進行采集、整理、分析，給出主要元件的使用壽命，避免因設備老化更換不及時導致的供電事故的發生。

3.5.2 故障診斷分析。根據電流波形判斷故障：

1）若出現圖2中所示，線圈電流未切換，即無T5點，則說明開關已經發生拒合、拒分。健康管理系統給出分析：可能由于脫扣器卡死、機構脫口部分卡滯及輔助開關自身故障原因導致。

圖2 開關拒合、拒分電流圖

2）若出現圖3中所示，線圈電流切換時間很長，即T5大于100ms，健康管理系統給出提示：脫扣器出現卡澀現象，故障進一步發展，很有可能造成機構無法脫扣，開關不能實現分、合閘動作。

圖3 開關不能實現分合電流圖

3）圖4為健康管理系統采集到的斷路器分閘線圈電流波形與歷史正常曲線比對圖，可以看出，開關分閘時，輔助開關在切換時有較大的電流產生，可能出現觸點融毀。

圖4 分閘線圈波形對比圖

根據波形數據分析，得出設備的故障原因，給出參考解決方案，保證重點部位的可靠運行和故障后的快速恢復。

4 結論

興隆莊煤礦中央變電所基于井下需求和實際運行情況，結合智能型高壓開關柜技術、智能巡檢系統、安全生命周期管理系統等前沿科技，研發、設計井下中央變電所的智能化改造。實現變電所供電運行狀態在線監測、分析，故障信息預診斷分析，電能計量數據的實時統計分析，開關設備的自動操作、變電所智能巡檢，建設成安全可靠的智能型無人值守變電所。智能化變電所的主要功能是健康管理，在現有智能供配電監控系統技術的基礎上，增加高壓開關設備主要器件運行參數及運行環境的檢測模塊，智能后臺診斷系統將采集到的數據與大數據庫中的數據進行對比分析，同時對采集的數據存儲逐步建立自己的大數據庫，篩選異常數據、分析數據變化趨勢，給用戶提供異常提示及維護指導。