基于物聯網礦用高壓智能保護開關柜研制

朱一夫，熊 偉，龐富春，李建軍，朱大可，歐青立，翁慶堅

(1.湖南科通電氣設備制造有限公司， 湖南 湘潭市 411104；2.湖南科技大學， 湖南 湘潭市 411201；3.廣業云硫礦業采選公司， 廣東 云浮市 527343)

0 引 言

礦用高壓保護開關柜是露天礦山，井下礦山（非煤礦山），大型水利、電力工程的常用配電保護開關設備，適用于三相交流50 Hz、10 kV以下的配套設備，作為電動挖掘機、牙輪鉆機等礦山裝備前置及分支干線的配電保護開關柜使用，控制高壓（6～10 kV)異步電機、變頻電機起動停止，并向主電力變壓器供電。

隨著社會進步，綠色礦山建設的需要，對電力系統設備的要求越來越高，特別是對礦山裝備運行的安全性、穩定性、網絡化、可維護性能、智慧化的要求日益增高。傳統礦山用戶外高壓開關柜的運行環境惡劣，由于過熱、絕緣性能降低等多方面的因素，開關柜長期不中斷運行中故障出現幾率增加，安全隱患大，一旦出現故障，將會給企業帶來重大損失。

經公司廣泛調研發現，傳統礦山設備售后維護存在很多問題或不便，如設備運行數據無法采集、設備運行狀態無從知曉，造成設備維護不及時，出現本不該出現的故障；一旦出現設備運行故障報警停機，即使制造企業立即安排售后工程師前往生產現場，一則礦山生產現場路途遙遠，花費的時間會影響設備及時恢復運行；二則現場維護人員對設備的理解程度不一樣，遠程電話溝通效果往往不理想，造成制造商工程師對設備故障原因及損壞部件判斷欠準確，等到售后工程師到達現場查看后，可能需要取部件，導致設備停機時間延長。

充分利用“互聯網+”和物聯網技術的發展成果，推進傳統電力設備技術升級換代，促進智慧電網的發展，也是智慧電網建設對電力設備設計制造的必然要求。優化設計礦用綜合保護開關柜柜體結構、增加網絡電路模塊并配置遠程功能軟件，實現開關柜運行數據自動采集、故障自動分析與遠程報警、電量計量、用戶遠程查看與操控功能，提高開關柜的安全性能和智慧程度。基于物聯網技術的礦用高壓智能綜合保護開關柜有利于礦山裝備的安全用電、安全生產、安全管理，對礦山智慧電網建設可以起到良好的促進作用。

1 優化設計開關柜柜體結構

KGWB5-8C高壓戶外保護開關柜柜體外形為適合露天或井下（非煤礦山）不同環境而設計成封閉式結構，柜體采用3 mm厚的冷軋鋼板彎制焊接而成，表面噴塑，柜體防護等級IP54，適用于室外雨雪、風沙惡劣工況環境地區。柜頂頂面采用弧面形設計，雨天過后不會積水于頂部，塵土也不容易沉積于柜頂。同時，柜頂設置信號燈，黃色燈為開關柜帶電指示燈，黃色燈亮表示開關柜帶電；紅色燈為開關跳閘指示燈，紅色燈亮表示開關跳閘警示。

柜體正面設置有寬窄不一樣的兩扇門，窄門一是隔離開關操作室門，隔離開關操作室內安裝有高壓帶電顯示器、隔離開關操作手柄、UPS電源、電氣聯鎖裝置等。隔離開關采用帶有出線接地刀的隔離開關，隔離拉斷高壓后，負載端接地，更安全，方便高壓放電。開關保護柜內裝有UPS電源，轉換時間小于8 ms，停電備用時間大于120 min，開關柜控制回路的靜態功率在100 W以下，控制回路約能保持3 h不掉電。沒有安裝UPS電源之前，當高壓突然斷電、缺相、接地跳閘時，接地柜的控制電壓就會下降，從而影響綜合保護控制器、電度表等元件不能正常工作，控制器有時還記錄不到數據就停電了。沒有安裝UPS電源前，當發生保護跳閘后，不知是什么原因跳閘，加裝UPS之后，高壓斷電后，或高壓跳閘后，控制回路3 h不停電，維護人員趕到現場后能查看什么原因跳閘。UPS電源與電磁鎖配合使用才能打開高壓柜門。

柜體正面寬門是低壓室門，即顯示與控制室門，低壓室設置為前后兩區。顯示與控制室內安裝有開關電源、觸摸顯示屏、溫濕度控制器、多功能電度表、微機保護控制器、遠程無線通信模塊、啟動停止按鈕等等。鑒于開關柜長期在戶外運行，風吹雨淋日曬，特別設計了柜門搭扣，搭扣采用不銹鋼材料制造，在柜門鎖損壞的情況下，可以臨時代替柜門鎖的作用，不至于因柜門鎖損壞而關不了柜門。

柜體左側面設置了隔離開關觀察窗。柜內有照明燈，通過觀察窗，能清晰看到隔離開關的接觸狀態，檢修時可看到明顯的斷點，確保人身安全。

柜體后部是高壓室，室內安裝有高壓隔離開關帶接地刀、高壓熔斷器、高壓真空斷路器、高壓電壓傳感器、高壓電流互感器、零序電流互感器、進出線接線瓷瓶等等。柜體右側面設置了一扇高壓室門，方便安裝高壓器件。柜體后面設置了高壓器件室門，便于高壓器件接線與安裝。同時在柜體后面設置了2或3個柜后電纜接線筒，一個用于進線，另一個用于出線，備用一個出線。高壓室柜門裝有安全電氣聯鎖，電磁鎖，保證柜內有高壓時，兩張高壓柜門是打不開的，具有五防功能，必需將柜外電源切斷才能打開高壓柜門。

開關柜頂部設有吊勾，底部設有叉車孔，方便用叉車移動。同時，在開關柜底部加裝了移動雪橇底座，方便在礦區短距離轉移場地。

2 基于物聯網高壓保護柜監控系統

2.1 基于物聯網的高壓保護柜監控系統功能

公司針對礦用設備使用過程中發現的技術問題和維護困難，進行了前期廣泛的研究，將互聯網和云服務技術應用到礦山裝備電控設備中，在高壓開關柜等傳統設備的基礎上，增加設備工作狀態數據信息采集與無線傳輸硬件設備及應用軟件，構建基于云計算與物聯網技術的監控與管理平臺，實現遠程監控與故障診斷功能，提升高壓保護開關柜等礦山設備的智能化程度。

礦用設備遠程監控系統就是將互聯網與傳統行業相結合，將設備運行實時數據發送用戶端。實現產品設備實時在線運行監控，故障預警和遠程診斷。

基于物聯網的高壓保護開關柜監控系統主要功能是自動采集開關柜內電氣參數、存儲分析電氣參數、通過網絡發送電氣參數，遠程計算機或手機用于遠程監控開關柜運行狀態參數。當電氣參數出現異常數據時，根據參數偏差大小，自動報警或跳閘保護，并通過無線發送模塊發送遠程監控端。

柜內保護控制器采用交流采樣和數字信號處理技術，實現負載側(高壓電動機、變壓噐等)的過載保護、啟動內速斷、啟動后速斷、高壓接地(漏電)保護、啟動時間過長保護、電源側的電網斷相保護、電源低電壓保護、電源過電壓保護以及負載用電計量等功能。

2.2 基于物聯網高壓保護開關柜遠程監控系統結構

基于物聯網的高壓保護開關柜遠程監控系統基本構成如圖1所示。其核心是開關柜內智能控制器。礦用開關柜遠程監控系統主要由柜內數據采集及發送系統、無線網絡傳輸系統、云服務控制系統、用戶管理與查看系統構成。柜內數據采集及發送系統主要包括開關柜的地理位置、溫度、濕度、高壓電流、高壓電壓等運行狀態采集模塊和數據發送模塊。云服務控制系統主要利用云網絡硬件平臺，設計研發的軟件程序。用戶管理與查看系統包括手機用戶APP和桌面計算機用戶程序，該處用戶包括設備生產廠家和設備使用單位。

圖1 礦用高壓智能保護開關柜遠程監控系統結構

現場采集的礦用保護開關柜運行數據，上傳到云服務器，再通過云服務器上的高壓保護開關柜遠程物聯網云平臺將數據通過WEB發布出來，設備生產廠家和設備使用企業等客戶端，則可通過特定網址或域名WEB訪問云平臺獲取數據，從而查看設備運行數據，及時了解開關柜運行狀態。

2.3 遠程手機APP設計與實現

手機已成為人們隨身攜帶的必備物件，其提供給人們的方便已不容質疑。人們可以利用手機APP隨時隨地查看需要監控的對象。手機APP接收并顯示服務器發送過來的數據。APP與主控制器的通信采用 TCP/IP網絡程序框架 C/S(客戶端/服務器)模式，通過監聽/連接的方式實現。手機遠程應用程序APP可隨時隨地運行并獲得云服務器發來的數據。

經過前期廣泛調研，手機高壓柜APP需要實現的功能主要有，礦用高壓保護開關柜所控制保護礦山裝備的運行參數和柜內環境參數遠程在線查詢、顯示，高壓柜設備故障圖像及聲音報警信息查詢，歷史數據查詢及參數分析。需要時，實現高壓柜現場位置定位。

遠程監控采用WEB平臺方案實現。使用手機查詢礦用高壓開關柜數據如同訪問一般網頁。但設置了一個登錄面。登陸頁主要目的是提供特定客戶登錄入口，一般是采用IE瀏覽器，通過IP地址或域名進入。進入登錄頁后，輸入授權的用戶名和密碼后進入高壓保護柜監控首頁。進入監控界面后，可以查詢高壓保護柜的運行參數和環境參數。可以查詢顯示高壓保護柜的正常運行所需各項關鍵參數，比如電流大小，電壓大小，有功功率大小等等。根據需求，可查詢高壓保護柜近 1 h、全天、全月的數據，同時可提供數據下載服務，方便客戶二次利用數據。

3 開關柜運行與檢測結果

公司自主研發生產的新型基于物聯網礦用智能保護開關柜如圖2所示，實現了基于云服務的遠程監控系統功能，提高了傳統高壓柜的網絡化和智能化，并通過了國家安標定型檢驗礦安認證。該高壓保護開關柜能頻繁操作，電動分合閘，具有短路保護、過流保護及計量檢測等功能。

圖2 KGWB5-8C礦用高壓智能保護開關柜

該保護開關柜可以作為國內外露天礦山裝備及井下礦山（非煤礦山）裝備的單臺或者多臺設備運行時的綜合保護及開關的控制使用。也可作為礦山（6～10 kV）新建采區分支線路的供電開關控制和綜合保護使用。還可出口作為“一帶一路”沿線國家露天采礦設備及井下（非煤礦山）采礦設備的開關控制和綜合保護使用。經陜西省金堆城鉬業股份有限公司露天礦、江西銅業集團銀山礦業有限公司、吉林大黑山鉬業股份有限公司、黑龍江龍煤集團鶴崗新嶺礦、內蒙包頭石寶鐵礦等國內多家礦山以及在蒙古、巴勒斯坦等國的多家礦山生產現場大量長時間可靠應用，運行狀態良好，用戶滿意。特別是2018年10月，公司KGWB5-8C礦用高壓保護開關柜在陜西華山國際大酒店召開的全國露天采礦設備系統接地與系統保護會暨金堆城露天鉬礦現場運行實地考察活動中，得到參加活動的代表和用戶好評。