POE供電技術在救援系統中的應用

王小波,梁春苗

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077）

POE供電技術在救援系統中的應用

王小波,梁春苗

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077）

煤礦井下用攝像設備一般分為本質安全型和隔爆型，本質安全型攝像設備在井下使用靈活性很高。在救援中工作時間不確定，探頭通常采用井口供電的方式。本文按照煤礦防爆、安標要求，分析了探頭電路功率組成，線路壓降損耗的計算，給出了井口供電的電源電壓和攝像頭功率選擇要求。本文采用POE供電技術實現了長距離本質安全型供電方案，對其他類型的遠距離礦用設備供電也有一定的參考價值。

POE供電；本安電路；救援探頭

煤礦井下發生煤與瓦斯突出或透水事故后，原有的監控通信系統被破壞，井下被困人員的情況無法得知。如果能夠利用第一時間貫通的救援井孔，了解井下巷道內的情況，對制定科學的救援方案就會起著至關重要的作用。

通過救援井孔深入到巷道的應急救援井孔聲像系統，國內目前尚無類似的技術與裝備。礦用設備中最為相近的是礦用窺視儀，用于錨桿孔的探查。礦井中已有使用的本安型紅外攝像儀，礦井救援用本安型計算機，兩種救援視頻設備，具有視頻觀測距離遠，但需要人員攜帶進入受災區域，對查明井下災情偵查有一定作用，對于救援被困人員幾乎無用武之力。

基于POE供電技術的本安探頭，能夠在成孔貫通后，通過井孔深入的被困區域，與被困人員進行視頻、對話。了解被困人員的實際位置、狀況、物資需求，同時也能安撫被困人員情緒，可大大提高救援效率，進一步減少人員傷亡。

1 Poe傳輸方式必要性

本安電路是防爆標準規定的條件下，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路。本文系統采用的防爆型式是一般兼本質安全型，即探頭和與探頭連接的部分均為本質安全型型。

視頻傳輸技術通常是100米以內采用同軸傳輸，300米以內采用雙絞線傳輸，300～ 1500米采用補償器雙絞線傳輸。1500米以上采用光纖傳輸。通常煤礦救援深度為300-800米。

長距離的視頻傳輸滿足礦井使用要求，電源供電技術成為系統設計的關鍵。標準中規定六類雙絞線的直流阻抗為每百米7.02Ω，超五類雙絞線的直流阻抗為每百米9.38Ω。采用雙絞線供電主要解決線路上的壓降和功率損耗。

2 POE技術與本安探頭分析

以太網供電POE（Power Over Ethernet）技術是指在傳輸數據信號，視頻、音頻信號的同時還能傳輸直流電源，將電源和數據集成統一有線系統當中，通常在雙絞線上輸出44-57V的直流電壓，350-440mA的直流電流，為一般功耗在15.4W以下的設備供電。本系統按照IEEE802.3AF推薦用法，應用空閑腳供電時，4、

5腳連接為正極，7、8腳連接為負極。

POE供電技術在解決救援探查時，主要優點：1傳輸線公用性強，成本低，2探頭放置靈活，設備在孔深范圍內不受位置限制，不受供電電源的限制，供電時間無線延長。按照防爆要求，純阻性電路的本安參數參考曲線圖如圖1所示。

圖1 純阻性本安電壓與電流的對應曲線

按防爆要求，與井下部分關聯沒有采取電氣隔離的電氣設備均應為ExibI Mb本質安全型類別，也就是說地面供電部分要達到本質安全型要求并留有1.5倍的安全系數。

按照參數曲線圖和防爆標準中的“電壓和設備級別對應的允許短路電流表”，1.5倍的安全系數參照公式1計算，可以得出表1的數據對應關系。

表1 本安最大輸出關系表

3 技術研究及相關試驗

3.1 功率損耗計算

每100m網線上的壓降根據網線不同分別為六類每百米7.0歐和超五類每百米約9.4歐兩種。考慮800米直流電阻值如表2所示。

表2 雙絞線直流阻抗表

終端不同的電流要求，網線上的壓降按照公式2計算如下：

帶入公式2計算不同傳輸距離和終端消耗不同電流時的壓降，如公式3所示。

按照矩陣計算結果如表3，不可能應用到本安參數中的數據在表中不列出，表中只列出了關鍵距離的壓損。

表3 超五類和六類雙絞線的壓損列表

末端如果要使用12V電壓，結合POE首端供電電壓標準范圍，壓降應控制在45V以內，除了關注壓損外，我們還需要關注系統的總功率分配，功率分配中線路上的功率損耗按公式4計算。

計算結果如表4所示，明顯不滿足本安要求的在表中以“※”代替。

表4 傳輸距離、終端電流和功率計算表

3.2 本安功率分解研究

探頭部分通常用視頻攝像頭和LED光源組成，采用語音對話的探頭還有拾音器和揚聲器等，探頭功率組成見公式5。

功率分配和壓降在系統設計中按照下述方案進行，LED光源功率可采用PWM調光技術,其最大輸出參數可控制在12V,100mA以內，即最大功率約1.2W。拾音器的參數一般為12V,20mA，功率約為0.36W。揚聲器根據救援需要選用供電參數約為為12V,35mA，功率約1W，即可滿足聲音播放需求。三項和為12V供電時，電流為155 mA,功率為2.65W 。

3.3 本安型POE供電算法研究

雙絞線最高允許傳輸電壓57V時，最大功率查圖1，按照公式1計算約為7.6W；45V時，1.5倍系數最大允許電流見表1為191 mA，除去三項和只有35 mA，留給攝像頭功率太小，難選型。30 V時，最大功率約為14.2W，1.5倍系數最大允許電流為473mA，除去三項和有318mA，但電壓損耗26.5V，終端電壓只有4.5V電壓。

通常本安型的要求是把功率余量流出來，方便通過火花試驗，同時滿足電壓和功率需求。以200電流為準計算，355電流通訊距離為800米壓降為19.9V,首端電壓為31.9V,查圖1，得出允許電流為390毫安，壓損和本安功率同時滿足要求。

按上述算法在超六類線中，符合上述要求，攝像頭電源采用12V供電，首端為32.6V，電流應在212mA，以內才能符合首端供電本安要求。超五類線中以此類推算法進行，直流電阻值不同。

4 結論

在本安型設備中，POE技術借用以太網獲得供電的電子設備無需額外的電源供電和布線就可使用，但是由于防爆中功率和電壓參數的問題，在攝像頭選型時因進行相應的功率控制，適合不同距離的需求。除上述分析應用外，項目組還著手研究了單芯多股的雙絞線，旨在降低雙絞線的直流阻抗。總之使用雙絞線使得系統成本相對降低，系統簡單，穩定性高，實現了末端模塊化管理，便于不同距離功耗探頭系列化應用。

[1] 鄭學召，羅振敏，鄧軍，吳建斌.本安型紅外攝像儀在礦井救援中的應用.煤炭科學技術.2009.7,37（7）；

[2] 鄭學召，王偉峰，鄭軍.礦井救援用本安型計算機的研制.工況自動化.2009.7；

[3] 中國國家標準化管理委員會.GB3836. 4-2010, 爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4] 劉明芳.,POE-為供電插上翅膀[J].智能建筑與城市信息,2005,總第102期（第5期）,70－72.

[5] 張曉東.POE供電技術在電視監控系統中的應用[J].信息系統工程,2012.8,38－39.

[6] 王小波.影響本安電源可靠性的因素及解決方法[J].煤田地質與勘探，2013，41（4）,78-80.

Application of POE technology in power supply system of in relief

Wang Xiaobo，Liang Chunmiao
（Xi’an Research institute of China Coal Technology＆Engineering Group, Xi’an，710077）

Mine camera equipment is generally divided into the intrinsically safe and flameproof type,intrinsically safe type camera equipment in mine with high flexibility.In the rescue system,due to the work of indefinite length of time,usually by the wellhead probe power supply mode.In this paper,in accordance with the explosion-proof safety standard requirements,analyzed the composition of the probe circuit power,calculation of line pressure drop loss,given the wellhead power supply voltage and a camera power requirements.This paper uses POE power supply technology has realized the power supply scheme for long distance of intrinsically safe type,also have certain reference value for other types of remote mining equipment power supply.

POE power supply;intrinsically safe circuit;rescue probe

TD684

A