礦井地面供電系統(tǒng)改造設(shè)計與應(yīng)用*

范學(xué)剛

(山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205)

0 引 言

礦井供電系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性，不僅關(guān)系煤礦井下工作面能否可靠運行，還與井下工作人員的生命安全息息相關(guān)[1-3]。煤礦地面10 kV開關(guān)柜作為地面供電系統(tǒng)的一部分，連接著電網(wǎng)和煤礦供電系統(tǒng)，實時掌握煤礦地面10 kV開關(guān)柜的運行狀況，實現(xiàn)在線監(jiān)測與故障診斷，確保其安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。縱觀國內(nèi)各大煤炭企業(yè)，普通存在的一個問題是地面供電系統(tǒng)使用年限較長，供電系統(tǒng)落后，現(xiàn)已不能夠很好的滿足煤礦地面安全生產(chǎn)的要求，存在明顯的老化現(xiàn)象，大大降低了地面供電系統(tǒng)運行的可靠性，急需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。供電系統(tǒng)運行可靠的關(guān)鍵部件是10 kV開關(guān)柜，需要確保其控制技術(shù)的先進(jìn)性，才能保證礦井地面供電系統(tǒng)中的電能穩(wěn)定可靠的輸送至煤礦井下，支撐井下煤炭掘進(jìn)設(shè)備的正常工作[4-6]。在線監(jiān)測系統(tǒng)作為近年來發(fā)展起來的先進(jìn)控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，現(xiàn)已取得了很好的應(yīng)用效果，得到了各界的廣泛認(rèn)可，尤其在服役環(huán)境極為苛刻場景中工作的系統(tǒng)監(jiān)測，更加凸顯出在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要性。因此，針對煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)可靠性較低的現(xiàn)狀，以其10 kV開關(guān)柜為研究對象，開展10 kV開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計工作，對于提高地面供電系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 10 kV開關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點

10 kV開關(guān)柜整體結(jié)構(gòu)涉及柜體和斷路器兩大部分，如圖1所示。由圖1可以看出，柜體包括母線室、斷路器室、出線室和儀表控制室等，相較于傳統(tǒng)的高壓開關(guān)柜，煤礦用的開關(guān)柜服役環(huán)境較為惡劣，承擔(dān)的保護責(zé)任更加巨大，因此，其典型的結(jié)構(gòu)特點是緊湊。母線室內(nèi)部主要是三相高壓的母排，斷路器室主要是各種斷路器，空間有限，僅可容納1部手車式真空斷路器。出線室配置了出線母排和下井電纜接頭，與此同時，還配置了電流互感器、電壓互感器和接地裝置等。儀表與控制室用于固定二次側(cè)器件，涉及電能表、接線端子排、分合閘、儲能等按鈕。在安全凈距得到保證的前提下，確保開關(guān)柜運行正常的情況下，在開關(guān)柜中設(shè)置監(jiān)測傳感器和測量裝置，進(jìn)行實時監(jiān)測較為困難，這就要求對監(jiān)測內(nèi)容、傳感器類型和布置位置的選擇進(jìn)行深思熟慮。

圖1 10 kV開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測重點確定

相關(guān)研究文獻(xiàn)表明[7-10]，僅僅完成斷路器觸頭溫度、真空度、機械特性等的在線監(jiān)測不能完全監(jiān)控開關(guān)柜的運行情況。為了進(jìn)一步獲得較為完善的開關(guān)柜監(jiān)測數(shù)據(jù)，必須全面監(jiān)測開關(guān)柜的電氣、機械等運行狀況，以此為開關(guān)柜運維人員提供可靠的參考數(shù)據(jù)。筆者結(jié)合10 kV開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特點，對出線室、母線室、斷路器室等的運行情況提出了相關(guān)的在線監(jiān)測內(nèi)容。出線室監(jiān)測出線電纜的絕緣性能、母線室監(jiān)測母排與隔離開關(guān)觸頭的溫度、斷路器室監(jiān)測斷路器的真空度、斷路器的機械振動、分合閘速度、脫扣器老化程度和斷路器動作事件次數(shù)等。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點和需要監(jiān)測的內(nèi)容，完成了監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如圖2所示。結(jié)構(gòu)中涉及傳感器層、監(jiān)測單元層、通信總線層和上位機等。傳感器層主要布置不同的傳感器元件，包括溫度傳感器、真空度傳感器、振動傳感器等，實時采集開關(guān)柜中的運行狀態(tài)參數(shù)；監(jiān)測單元層主要負(fù)責(zé)實時采集信號的調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換和信號隔離等，經(jīng)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，便于監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和存儲；通信總線層采用的CAN總線技術(shù)，包括通訊模塊、CAN總線、接口轉(zhuǎn)換和CAN通信卡等，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測單元和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，依據(jù)CAN總線通信協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)開關(guān)柜的實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制的雙向控制；上位機采用工控機，用于實時顯示開關(guān)柜內(nèi)部各個元器件的實時運行狀態(tài)，以數(shù)值、波形圖等形式顯示于監(jiān)測界面，同時，一旦出現(xiàn)參數(shù)異常，能夠發(fā)出警告提示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 傳感器選型

井下電纜絕緣監(jiān)測選擇HCS-LTH-100A霍爾電流傳感器和HVS-EVS-150P4霍爾電壓傳感器分別對電流和電壓信號進(jìn)行測量和采集；母排與隔離開關(guān)觸頭溫度監(jiān)測選擇IRTP20型智能紅外傳感器，其測溫范圍為-20～300 ℃；斷路器真空度監(jiān)測選擇RS-301真空度監(jiān)測裝置檢測斷路器的真空度；斷路器振動信號監(jiān)測選擇YD37壓電式加速度傳感器對振動信號進(jìn)行采集，其頻率測量范圍為1～10 kHz，靈敏度為0.001 2 V/ms-2；分合閘速度監(jiān)測選擇WDD35D-4電阻式角位移傳感器；脫扣器老化程度監(jiān)測選擇HCS-LTR-50A霍爾電流傳感器；斷路器動作事件記錄選擇WDD35D-4角位移傳感器實現(xiàn)。

3.3 信號處理模塊設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)信號處理模塊用于接收來自各種傳感器實時采集的狀態(tài)信號，經(jīng)過處理完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，獲得便于傳輸和存儲的數(shù)字量信號。監(jiān)控系統(tǒng)選擇與CAN總線配套的iCAN3800作為信號處理器，可在5～1000 kbps的波特率條件下實現(xiàn)與CAN總線的通訊。iCAN3800模塊工作時，自身的8路模擬量輸入通道可以并行運行，獨立進(jìn)行信號處理任務(wù)，具備每秒輪詢數(shù)據(jù)500次的能力，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸和通信的實時性和可靠性。iCAN3800信號處理模塊的工作原理如圖3所示。

圖3 iCAN3800信號處理模塊工作原理

3.4 總線通信系統(tǒng)設(shè)計

煤礦高壓開關(guān)柜服役環(huán)境極為惡劣，在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計難度較大，必須選擇實時性好、信號傳輸穩(wěn)定可靠、抗環(huán)境干擾能力強的通訊網(wǎng)絡(luò)，方可將開關(guān)柜內(nèi)部布置的傳感器采集的數(shù)據(jù)信號及時傳輸至上位機進(jìn)行實時顯示。正因為CAN總線具有自身結(jié)構(gòu)簡單可靠，容錯能力較強等優(yōu)點，較為適合煤礦復(fù)雜的工作環(huán)境中。與此同時，CAN總線在變電站相關(guān)領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果[11-12]，因此選擇CAN總線技術(shù)構(gòu)建開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)。

在煤礦地面10 kV開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)中，基于 CAN 總線的通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖4所示。

圖4 總線通信系統(tǒng)

3.5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

根據(jù)高壓開關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計需求，基于高壓開關(guān)柜需要監(jiān)控的狀態(tài)參數(shù)，運用Lab VIEW編程軟件完成監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計工作。使用Lab VIEW進(jìn)行系統(tǒng)軟件總體設(shè)計時，整體結(jié)構(gòu)選擇不同線程交換數(shù)據(jù)的事件結(jié)構(gòu)為主要框架，借助Lab VIEW軟件中自帶的Calling Library Functional Node函數(shù)接點調(diào)用VCI庫函數(shù)，內(nèi)層采取“循環(huán)查詢”方法讀取各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，外層對CAN總線接入的開關(guān)柜中各iCAN3800數(shù)據(jù)采集模塊的輪詢，達(dá)到多柜平行監(jiān)測的目的。整個系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

3.6 人機交互界面

人機交互界面作為監(jiān)控人員獲取開關(guān)柜實時運行數(shù)據(jù)的重要窗口，主要由一個選項卡構(gòu)件構(gòu)成，其中的每個選項卡對應(yīng)一個開關(guān)柜，監(jiān)控人員可以切換不同的選項卡以便監(jiān)測不同的開關(guān)柜。監(jiān)控系統(tǒng)振動信號數(shù)據(jù)傳輸時為了降低外界的干擾，使用了降噪屏蔽電纜，設(shè)置的信號波特率數(shù)值為500 kbps的CAN總線傳輸，理論傳輸?shù)淖畲缶嚯x近120 m，具備同時監(jiān)控多達(dá)30個高壓開關(guān)柜的能力，系統(tǒng)調(diào)試時同時監(jiān)控8個開關(guān)柜進(jìn)行實施例檢測，監(jiān)測主界面如圖6所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

4 在線檢測結(jié)果分析

為了驗證開關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的實用性，對運行過程中的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測，其中涉及母排與隔離開關(guān)觸頭溫度、真空度、電纜絕緣、斷路器機械特性、斷路器動作事件等。母排與隔離開關(guān)觸頭溫度在線檢測結(jié)果如表1所列，可以看出溫度監(jiān)測結(jié)果很好，偏差在0.5%。真空度監(jiān)測系統(tǒng)在線檢測時，當(dāng)斷路器真空度出現(xiàn)降低時，系統(tǒng)會發(fā)出真空度降低報警提示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

表1 系統(tǒng)采集溫度與實測溫度

電纜絕緣在線檢測針對的電纜對地絕緣電阻，監(jiān)測系統(tǒng)主要通過檢測電纜的電壓和電流計算得到絕緣電阻值，系統(tǒng)選擇的是HVS-EVS霍爾電壓傳感器和HVS-LTH霍爾電流傳感器，在線檢測過程中采集得到的實測電壓值與監(jiān)測數(shù)值的統(tǒng)計結(jié)果由表2可以看出電壓監(jiān)測數(shù)值與實際電壓數(shù)值的誤差為0.9%。電流監(jiān)測數(shù)值與實際電流數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果由表3可以看出，電流監(jiān)測數(shù)值與實際電流數(shù)值的偏差較小，均屬于1%以內(nèi)，足以滿足井下電纜絕緣電阻監(jiān)測的要求。

表2 實測電壓值與監(jiān)測數(shù)值的統(tǒng)計結(jié)果

經(jīng)過多次的試驗驗證，監(jiān)測系統(tǒng)中斷路器機械性能動作實時顯示結(jié)果同樣很理想，斷路器振動信號顯示其分、合閘時的振動沖擊波形，監(jiān)測得到的斷路器分合閘線圈電流與典型電流波形輪廓相吻合，監(jiān)測得到的斷路器觸頭分合閘行程時，經(jīng)過多次重復(fù)采樣得出波形具有很好的一致性，多次試驗表明，監(jiān)測系統(tǒng)對斷路器的動作事件記錄可靠性和準(zhǔn)確率為100%。

表3 實測電流值與監(jiān)測數(shù)值的統(tǒng)計結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)在某煤炭企業(yè)試運行過程中同樣取得了很好的應(yīng)用效果，相較于地面供電系統(tǒng)改造設(shè)計之前，降低了供電系統(tǒng)故障維修時間近10%，改善了地面供電系統(tǒng)可靠性較低的現(xiàn)狀。

5 結(jié) 語

針對煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)可靠性較低的現(xiàn)狀，以10 kV開關(guān)柜為研究對象，設(shè)計了一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，檢測結(jié)果顯示，監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，成功改善了地面供電系統(tǒng)可靠性較低的現(xiàn)狀。試驗統(tǒng)計結(jié)果表明，母排與隔離開關(guān)觸頭溫度監(jiān)測結(jié)果精度為0.5%，真空度監(jiān)測靈敏可靠，絕緣電阻監(jiān)測精度在1%以內(nèi)，滿足礦井電纜絕緣電阻的監(jiān)測要求；斷路器機械性能監(jiān)測結(jié)果理想，斷路器動作事件記錄準(zhǔn)確。在某煤炭企業(yè)試運行過程中，降低了供電系統(tǒng)故障維修時間近10%，有效改善了供電系統(tǒng)的可靠性較低的問題。