礦用高壓柜隔離開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

穆瑞軍

（陽煤集團(tuán)五礦， 山西 陽泉 045008）

引言

在井下高壓開關(guān)柜相當(dāng)重要，不僅關(guān)系著地下各類機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，而且直接影響井下各項(xiàng)工作的進(jìn)行。然而，由于礦山一直在發(fā)展，井下不斷新增需要用電的設(shè)備，整個(gè)井下供電系統(tǒng)很有可能處在臨界值甚至超過臨界值運(yùn)行。高負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，不僅對(duì)井下高壓電纜有損失，對(duì)高壓柜隔離開關(guān)更是有很大的影響，其觸頭處持續(xù)發(fā)熱，嚴(yán)重情況下會(huì)連續(xù)升溫，達(dá)到表皮燃點(diǎn)，造成火災(zāi)事故[1]。因此，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)觸頭溫度的監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)觸頭處的溫度進(jìn)行監(jiān)測，一旦到達(dá)預(yù)警值，立刻采取對(duì)應(yīng)措施，避免井下電氣火災(zāi)事故的各類損傷。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

以煤礦為例，根據(jù)其井下高壓柜常處的環(huán)境以及需要達(dá)到的功能，將井下觸頭溫度系統(tǒng)所需要達(dá)到的程度總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）傳感器探測觸頭溫度，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)直接反應(yīng)到上位機(jī)，要保證測量的即時(shí)性；

2）信號(hào)傳輸要穩(wěn)定，不受其他自動(dòng)化設(shè)備的電磁干擾，要保證在覆蓋區(qū)域內(nèi)的信號(hào)傳送不失真；

3）檢測系統(tǒng)要能持續(xù)工作較長時(shí)間，因此需要有獨(dú)立的供電方式。如果采取接入供電網(wǎng)路中，一旦溫度超過閾值之前瞬間短路，則無法達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2 設(shè)計(jì)方案的選取

設(shè)計(jì)方案主要包括三個(gè)方面，分別是溫度檢測的方式、電力供給的方式和信號(hào)傳輸?shù)姆绞絒2]。

2.1 溫度檢測的方式

根據(jù)檢測儀器是否與檢測點(diǎn)有接觸，將溫度檢測的方式分為接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測通過溫感元件將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)觸頭處的溫度實(shí)行檢測。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于檢測精準(zhǔn)，很小的溫度變化都能夠有反應(yīng)，同時(shí)設(shè)備的價(jià)格也相對(duì)較低，而且由于其本身就接入電網(wǎng)循環(huán)中，無需額外電力供應(yīng)。非接觸式檢測則指的是紅外檢測和光纖檢測這兩種溫度檢測方式，兩者的對(duì)溫度的檢測十分精準(zhǔn)，測量的誤差較小，但是光纖檢測器的售價(jià)較高，不利于在礦井中多處、大量配備此設(shè)備。相比于光纖檢測器，紅外檢測價(jià)格相對(duì)便宜一些，但是最大的缺點(diǎn)在于無法測量微小的器材，而井下高壓開關(guān)的觸頭就恰巧屬于這類微小的部件，因此也不予考慮。結(jié)合以上分析，對(duì)高壓開關(guān)觸頭的溫度檢測選取接觸式檢測，即選用溫感元件檢測觸頭處的溫度變化。

2.2 電力供給的方式

參考國內(nèi)外井下電氣管理的經(jīng)驗(yàn)，溫度檢測系統(tǒng)的電力供給可以借鑒這些方法，根據(jù)電力是否需要外部傳輸可以分為自給式和傳輸式。

自給式供電，指電力的供給依靠安裝在設(shè)備上的電池。自給式供電又可分為兩種，一種是只安裝大容量電池，此方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要鋪設(shè)線路，方便快捷，缺點(diǎn)在于電池需要定期更換，檢修相對(duì)麻煩。另一種自給式供電指的是安裝太陽能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，再配以一定容量的蓄電池，靠高壓開關(guān)所處環(huán)境發(fā)電，以供系統(tǒng)所用，缺點(diǎn)也很明顯，就是對(duì)環(huán)境的依賴度高，一旦無風(fēng)無光，就會(huì)陷入無電可用的境地。傳輸式供電，指的是將檢測系統(tǒng)的供電接入原有電網(wǎng)中，優(yōu)點(diǎn)是方便、省事，缺點(diǎn)就是故障發(fā)生后無法達(dá)到檢測的效果。綜合分析井下的條件和經(jīng)濟(jì)因素，選擇電池供電，保證故障發(fā)生時(shí)的檢測可靠度。

2.3 信號(hào)傳輸?shù)姆绞?/h3>

參考井下通訊的信號(hào)傳輸方式，溫度檢測系統(tǒng)的信號(hào)傳輸分以下四種：光纖傳輸、電力線載波、公用無線通訊網(wǎng)網(wǎng)和無線射頻技術(shù)。

1）光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于高帶寬，傳輸質(zhì)量和速度有保證；缺點(diǎn)就是光纖的鋪設(shè)耗錢耗力，成本難以接受，因此不考慮此方式。

2）電力線載波就是人們常說的PLC通信，全稱Power Line Carrier。是將信息傳輸依附在電網(wǎng)之上，通過電流攜帶信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此方式方便快捷，但是電網(wǎng)自身的電流變換對(duì)信號(hào)的傳輸影響很大，無法保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。溫度系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)本身強(qiáng)度就不大，極易被干擾，因此此方式也不予考慮。

3）公共無線通訊網(wǎng)的成本較高，每年都需要支付服務(wù)費(fèi)，這對(duì)于礦山企業(yè)來說很不實(shí)惠，因此此方式也排除掉。

4）無線射頻技術(shù)，ZigBee是一種功率和經(jīng)濟(jì)消耗都在可接受范圍內(nèi)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，適合于井下信號(hào)的傳輸，因此溫度系統(tǒng)的信號(hào)傳輸采用此方式。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的組成

以煤礦為例，針對(duì)煤礦井下35 kV高壓柜隔離開關(guān)觸頭的溫度進(jìn)行檢測，在觸頭處接入溫感傳感器，將溫度的變化轉(zhuǎn)變成電流強(qiáng)度的變化，通過無線射頻技術(shù)把攜帶的信息傳輸?shù)诫娔X上，電腦判斷是否達(dá)到溫度預(yù)警值，如果達(dá)到或者超過，反饋到報(bào)警器，避免觸頭處溫度過高造成危險(xiǎn)[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 礦用高壓柜隔離開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

將信息傳輸?shù)诫娔X后需要電腦對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，工作人員才可以準(zhǔn)確得知觸頭溫度，同時(shí)，軟件部分還應(yīng)對(duì)接受信息進(jìn)行分類和管理，比如設(shè)定時(shí)間段的數(shù)據(jù)對(duì)比、周期性的數(shù)據(jù)對(duì)比，為檢修和維護(hù)提供參考，軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 礦用高壓柜顆粒開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)的處理

對(duì)于電腦端收集到的數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行分檔和歸類，以便后期查詢和分析，主要有以下幾部分功能。

3.2.1 預(yù)警功能

數(shù)據(jù)處理最主要的功能便是預(yù)警功能，當(dāng)監(jiān)控到的溫度到達(dá)危險(xiǎn)值時(shí)，立刻觸發(fā)報(bào)警裝置，如果條件允許，最好能夠再配備一套聯(lián)鎖裝置，將溫度較高的線路切換到備用線路，待一段時(shí)間后再繼續(xù)使用。

3.2.2 信息儲(chǔ)存功能

除了危險(xiǎn)預(yù)警之外，信息的儲(chǔ)存也相當(dāng)關(guān)鍵。在獲得溫度信息后，將其進(jìn)行儲(chǔ)存，可以設(shè)定儲(chǔ)存的時(shí)間間隔為10 s一次，可以得到一段時(shí)間內(nèi)，溫度與時(shí)間的關(guān)系，以便分析出高壓開關(guān)多久會(huì)升溫到危險(xiǎn)值，同時(shí)，在報(bào)警之后，報(bào)警信息也要被儲(chǔ)存，這也是安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的一種踐行措施。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)硬件部分，主要試驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)部分，第一部分，傳感器的可靠度；第二部分，信號(hào)傳輸?shù)目煽慷龋坏谌糠郑娔X信息儲(chǔ)存功能可靠度。

4.1 傳感器可靠度檢驗(yàn)

在同樣的溫度下，考慮到井下的環(huán)境，以零下10℃到零上70℃為溫度區(qū)間，每10℃為一個(gè)測量步長，檢測傳感器和溫度計(jì)測得的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器檢測和溫度計(jì)溫度誤差較小，具有極高的可信度，完全符合現(xiàn)場需求，可以使用。

4.2 信號(hào)傳輸可靠度檢測

在空曠房間中，以10 m為步長，移動(dòng)發(fā)射源，試驗(yàn)結(jié)果表明，在完全無阻礙的情況下，信號(hào)傳輸距離可以達(dá)到100 m。模擬井下環(huán)境，將其表面用石板覆蓋，試驗(yàn)結(jié)果表明，在完全覆蓋的情況下，信號(hào)傳輸距離為5 m。由此證明，信號(hào)傳輸完全滿足井下需求。

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢測

將電腦中接收的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并打印出來，以30 min為時(shí)間間隔，預(yù)測下個(gè)30 min的溫度，其結(jié)果表明，在危險(xiǎn)溫度的區(qū)間內(nèi)，根據(jù)其溫度上升的趨勢，可以較為精確的預(yù)測到到達(dá)預(yù)警值的時(shí)間。同時(shí)，以20 d為周期，在5個(gè)周期內(nèi)，數(shù)據(jù)都得到了較好的保存，證明其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性滿足井下需求。

5 結(jié)語

結(jié)合井下環(huán)境，得到礦用高壓柜隔離開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)理論上應(yīng)該達(dá)到的程度，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，分別選取溫感元件為溫度檢測的方式、電池供電為系統(tǒng)電力供給方式以及無線射頻技術(shù)為信息傳輸方式。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)出一套礦用高壓柜隔離開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，其溫度檢測、信息傳輸以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的可靠性都很高，滿足井下需求，說明此系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，對(duì)保障礦山安全生產(chǎn)具有重要的意義。