煤礦井下低壓開關閃弧故障定位系統的設計與應用

王德巖，岳興輝

（陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713600）

煤炭在我國的能源結構中占比60%以上，這一現狀短期內不容易改變，隨著國家《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》的推出，更加凸顯煤礦供電及通信系統在煤礦井下生產過程中的重要性。防爆開關是井下供電的關鍵設備之一，最為重要的供電節點開關柜一旦發生故障，輕則停電影響生產，重則停止通風、抽排，導致瓦斯濃度升高影響安全。

目前井下防爆開關眾多，一般分為10kV 的高壓開關和127/660/1140V 的低壓開關，相對來說高壓防爆開關影響范圍更大，受到的關注更多，智能化水平也相對高，對其故障監測手段較為完善，但井下數量更多的是低壓防爆開關，而低壓開關種類多、廠家雜、體積小，內部接線多不規整，自動化水平較低，一旦發生故障，不易查找，雖停電范圍不大，但關鍵設備的失電也會產生不可預料的重大隱患，因此有必要在井下低壓開關中安裝智能的故障定位系統，實現故障的快速查找，方便檢修更換，減少非計劃停電時間。[1-2]

1 弧光檢測原理

1.1 開關柜閃弧機理及危害

弧光是指電氣設備發出弧狀白光同時伴隨產生高溫的氣體放電。無論在絕緣氣體、金屬蒸氣或空氣中，當開關的供電系統足夠強，能提供足夠大的電流（幾安到幾十安）時，使氣體擊穿，發出強烈光輝，產生高溫（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：生產安全事故——人員死傷重大事件；爆炸燃燒導致設備的報廢形成財產損失；有毒氣體造成環境污染，傷害呼吸系統。[3-4]

1.2 弧光傳感器類型

隨著電力系統弧光保護裝置國家標準和行業標準的推出，弧光檢測傳感器得到了極大的發展，目前繼電保護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的DPR-FAS-D1弧光傳感器是光纖式紫外傳感器，以純光學手段檢測弧光信號中的紫外成分，傳感器與繼電保護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勢。[5]

1.3 防爆開關閃弧特點

井下開關柜由于安全需要均采用防爆外殼，外表龐大內部空間狹小，而井下低壓開關運行的位置一般在巷道末端，環境潮濕，灰塵較大，再加上開關柜內接線不規整，極易產生閃弧現象。與地面供電系統相比，井下開關閃弧有著自己的特點：（1）井下供電線路均采用電纜，對地電容較大，傳輸容量有限，開關柜內局部的放電不一定能引起開關繼電保護的動作，閃弧帶來的損傷不能被及時發現。（2）井下供電系統由于漏電故障頻發，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，發生單相的弧光故障時，短路能量不大，雖然會對開關柜造成損害，但不夠靈敏的保護裝置又不能發現。因此對井下防爆開關進行閃弧監測非常有必要。

2 系統組成及工作原理

針對當前井下防爆開關閃弧故障無法檢測的現狀，在充分調研低壓防爆開關結構原理、技術水平、運行現狀的基礎上，本文提出了煤礦井下低壓開關閃弧故障定位系統的設計方案，本系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

系統由弧光傳感器、數據采集器、通信服務器和監控后臺組成。弧光傳感器采用電纜式紫外檢測原理，由于低壓開關柜內空間狹小，不利于需要較大彎曲半徑的光纖布線，且低壓開關對絕緣距離要求較低，因此低壓開關的弧光傳感器采用電纜傳輸；數據采集器安裝于低壓開關柜內，可連接多個弧光傳感器，當傳感器檢測到柜內閃弧時，采集器的本地指示燈將會閃爍指示，提醒運維人員注意，同時通過無線信號將信息傳送至通信服務器；通信服務器用于收集本區域所有開關柜內的數據采集器無線信息，將弧光故障信息轉發至4G 網絡或井下工業環網；監控后臺一般安裝于地面監控中心，從工業環網或4G 網絡中提取井下通信服務器轉發的弧光故障信息，實時通知給調度監管人員。[6]

當前煤礦井下基本實現了光纖環網的全覆蓋和4G無線網絡的部分覆蓋，對于井下變電站內的防爆開關柜閃弧監測，通信服務器可通過工業環網進行數據上傳；對于巷道末端的通信服務器可通過4G 網絡與地面相連。在地面數據監控中心，監控系統可實時查看各井下防爆開關柜的閃弧情況、歷史數據；當某開關發生閃弧故障時，監控系統可通過聲光、彈窗等多種方式告警，提醒運行人員注意，同時在整礦的地理結構圖上顯示故障開關柜的地理位置，方便維修更換。

3 系統軟硬件設計

3.1 弧光傳感器

弧光傳感器的關鍵器件為光敏器件，負責將特定波長的光信號轉換為電信號，本項目的弧光傳感器采用VISHAY 公司的VEML6075 光學傳感器，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，同時具備數字接口，可直接從傳感器獲取監測到的光功率值。弧光的頻譜特性顯示弧光中成分較為復雜，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。（見圖2）

圖2 弧光檢測傳感器

3.2 數據采集器

數據采集器可通過弧光傳感器監測開關柜內的弧光信號，通過溫濕度傳感器監測柜內環境溫濕度。裝置具有簡單的人機接口界面，可實時顯示監測信息，同時將監測數據通過無線LoRa 通信轉發至通信服務器。數據采集器采用TI 公司的MSP430 單片機作為主控制器，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）

圖3 數據采集器框圖

數據采集器安裝于井下防爆開關內，通過無線傳輸信號，無需將信號線接至防爆殼體外，不破壞現有設備的安全性。裝置從防爆柜內變壓器上獲取電源，同時采用超級電容儲能，在防爆開關柜故障后能繼續監測和收發信息，確保開關故障后信息不丟失，同時持續點亮現場告警指示燈，方便查找故障。

3.3 通信服務器

通信服務器主要用來收集轉發采集器采集到的弧光及溫濕度數據，亦可用于連接站內其他設備的無線LoRa信息，回傳通道可借用站內工業以太網環網或者當前主流的4G 網絡，通信服務器主控制器采用ST 公司的Cortex-M 實現。通過無線LoRa 接口，在井下變電站等開關柜集中的地方安裝一臺通信服務器可收集站內所有采集器的信息，通信服務器具備本地顯示功能，可通過液晶顯示本地采集數據和無線信號強度，方便站內巡視。

3.4 監控軟件

監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，當井下防爆開關發生閃弧故障或溫濕度異常時，監控系統通過彈出式告警提醒運維人員，實現故障定位告警功能。為適應當前煤礦大數據平臺和智能礦山的建設需要，監控軟件亦可提供標準數據接口，與其他系統相連，進行數據的轉發，方便實現系統間的聯動，例如當某開關發生閃弧故障時，可與視頻監控系統聯動，在監控中心大屏上顯示該開關的視頻圖像；與廣播系統聯動，向開關現場播放語音，提醒現場人員注意；與供電系統聯動，實現負荷切換，通過備用線路實現供電。

3.5 設備安裝

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點，采用磁吸式安裝，方便調整對光角度，現場安裝時一般將傳感器鏡頭對準防爆開關柜內的開關觸頭；數據采集器安裝于防爆開關內，采用螺栓固定，采集器的天線需固定于開關的防爆窗口，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，無線信號在煤礦井下傳輸距離大打折扣，因此通信服務器一般安裝于井下變電站中部，便于接收站內所有開關柜的無線信號，同時需將接收天線遠離墻壁，盡量抬高，經過實測通信服務器與數據采集器之間的最遠通信距離在井下可達300m，遠遠超過井下變電站的空間長度。

4 系統應用

陜西長武亭南煤業有限責任公司屬于高瓦斯礦井，供電系統的穩定可靠尤為重要，針對當前地面變電站母線無主保護、井下低壓防爆開關通信不暢的現狀，公司地面變電站采用了南京弘毅電氣的DPR361ARC 弧光保護系統，井下低壓開關采用DPM341ARC 閃弧故障定位系統，地面數據中心搭建了綜合自動化監控中心，接入繼電保護監控系統和閃弧故障定位監控軟件，實現了地面井下所有開關柜的閃弧故障監測和保護功能。當開關柜內發生短路、接地等電氣故障時，保護及監控系統能夠及時發現故障并切除故障，并告知調度運行人員，便于快速修復，提高了供電系統的可靠性，實現了開關柜監測的智能化。[7]自該系統投入運行以來，監控中心通過該系統實現了電氣設備的遠程控制，電氣參數實時監測，雖暫未發生閃弧故障，但該系統為運行檢修人員提供了更好的安全保障。

5 結束語

煤礦井下低壓開關閃弧監測系統針對井下供電系統監測的空白點，將光學手段和電子信息技術、無線通信技術相結合，實現了開關故障的遠程監測、環境預警和故障定位，縮短了運維檢修時間，提高了井下供電的安全性。井下開關閃弧故障定位系統同時能夠與其他相關系統實現數據聯動，牽一發而動全身，針對單一故障而全系統共同行動，減少事故損失。