礦用高壓柜隔離開關觸頭溫度檢測系統研究

平鵬偉

（潞安環能股份公司常村煤礦，山西長治 046102）

0 引言

在礦井下，高壓開關柜占據著極其關鍵的地位，不僅對各個設備的運行有著直接的關系，而且對各個運行環節有著一定的影響。但是，由于礦山在不斷的發展中，井下所需的電力設備也應當持續增加，其供電體系的運行極有可能為超臨界狀態。若運行負荷過高或者超出標準時，不僅對高壓電纜造成了極大的破壞，而且也極大地威脅到高壓柜中隔離開關的運行，進而導致觸頭的溫度不斷上升，嚴重的會達到表皮的燃燒界點，誘發火災。因此，針對該部位的溫度，應當研發一個有效的監測體系，對其實施嚴格的監測，其溫度一旦與預警值相接近，應當立刻采取措施，防止因火災的發生而造成一定的破壞。

1 系統設計的目標

選擇煤礦進行研究，根據高壓柜所處的環境及應當實現的功能，將相應的觸頭溫度系統所需實現的程度進行歸納：

（1）傳感器在監測到觸頭溫度時，將其轉變為電信號直接傳輸到上位機，應當確保測量具備即時性；

（2）信號的傳輸應當具備穩定性，其他的設備不會對其產生干擾，應當確保信號在覆蓋區域內的傳輸具備真實性；

（3）檢測系統應當保持較長的工作時間，因此需要保持獨立的供電系統。如果將相應的供電網介入其中之后，一旦溫度超出了閥值之前的瞬間短路，將不能對風險進行有效的規避[1]。

2 設計方案的選取

該方案應當涵蓋3部分的內容，分別為溫度的檢測、電力的供給及信號的傳輸。

2.1 溫度的檢測模式

根據檢測儀器是否與檢測部位相接觸來對溫度檢測進行劃分，其主要有兩種：

（1）接觸式檢測。利用溫感設備將溫度的改變來轉變為電信號，對觸頭的溫度進行檢測。該方法所具備的優勢在于具備較高的敏銳度，即便溫度所發生的變化極其微小，也可以產生反應，同時應用該設備不需要較高的成本，而且因其自身就處于電網循環之中，不需要額外的電力供應[2]。

（2）非接觸式檢測。指的是利用光纖及紅外兩種檢測方式，其檢測效果較為精確，誤差較小，但是光纖檢測器的價格較高，不具備適用性。與該檢測器相比，紅外檢測器的成本較低，但是該儀器的不足就是無法對小型的設備進行測量，而觸頭恰巧屬于這類部件，因此無法使用。與上述分析相結合，運用第一種方法來檢測觸頭的溫度，即使用相應的溫感設備來對其進行檢測。

2.2 電力的供給模式

借鑒國內外井下電氣系統的管理經驗，參考這些方式來為溫度檢測系統提供電力，根據其是否需要進行外部傳輸可以將其分為兩類。

（1）自給式，指的是通過設備上的電池來供電。這種形式又可以分為兩種，一種是只安裝容量較大的電池，其優點主要為不需要額外添加線路，缺點在于需要按時更替電池，檢修較為困難；另一種是通過安裝太陽能等設備，依靠高壓開關所在的環境來供電，以供系統使用，其缺點也較為明顯，即過于依賴環境，一旦環境中無光無風，將不再有電力的供應[3]。

（2）傳輸式，指的是將檢測體系之內的供電與現存的電網相連接。其存在的優點主要為便捷，缺點就是在產生故障之后無法實現預期的檢測效果。

對礦井下環境及經濟等各個因素進行有效分析，將電池作為提供電能的模式，確保發生故障時也可以具備較高的檢測精度。

2.3 信號傳輸的方式

借鑒礦井下通訊信號的傳輸方式，對溫度進行檢測的系統主要存在4種信號傳輸。

（1）光纖傳輸。它所具有的優勢為高寬帶，具有可靠的傳輸質量及速度；不足之處就是鋪設光纖會耗費較大的錢力物力，難以接受成本，因此對該方式不加以考慮。

（2）電力線載波。指的是PLC通信。將信息的傳輸依靠于電網中，利用電流所具有的信息來完成數據的傳輸。該方法具備較大的便捷性，但是在電網中，電流具有相應的轉換效果，極大影響著信號的傳輸，導致其傳輸的質量無法得到保障[4]。溫度體系所傳輸的信號不具備較大的強度，極易受到干擾，因此該方式也不加考慮。

（3）公用無線通訊網。它具有較高的成本，每年都需要支出一定的服務費用，對于礦山企業而言，這并不實惠，因此該方法也可以排除。

（4）無線射頻技術。ZigBee作為一種無線傳感網絡通信協議，其消耗的功率及經濟都處于可接受的范圍之內，適用于礦井下的信號傳輸，因此該方法具有較強的可行性。

3 系統設計

3.1 系統的組成

選擇礦井進行研究，對礦井35 kV的高壓柜隔離開關觸頭所具有的溫度加以檢測，在該部位安裝相應的傳感器，對溫度變化加以轉換，使其成為電流強度的改變，利用無線射頻技術來傳輸相應的信息，判斷該溫度是否達到警戒點，若達到或超出預警值，其報警裝置將會做出反應，避免因觸頭的溫度過高而產生危險圈，系統的結構圖如圖1所示。

圖1 礦用高壓柜隔離開關觸頭溫度系統結構示意圖

當電腦接收到信息之后，電腦可以及時地顯示出信息，以確保相關人員可以精確掌握到觸頭的溫度，同時，相關部門應當對信息進行一系列的處理[5]，例如設定時間段及周期性的數據比較，為維修提供可靠的依據，軟件功能的結構如圖2所示。

圖2 礦用高壓柜顆粒開關觸頭溫度系統軟件功能示意圖

3.2 數據的處理

電腦在收集到各種數據之后，應當進行分類處理，以助于日后的分析與查詢，其功能主要有以下幾點。

3.2.1 預警的功能

在對數據進行處理的過程中，其核心環節就是預警，當溫度與臨界點相接近的時候，警報將會啟動，若條件達到標準，應當再安裝一個連鎖裝置，將高溫線路加以切換，促使其成為備用線路，在經過一段時間之后再進行使用[6]。

3.2.2 信息儲存的功能

除預警之外，信息儲存也發揮著極其關鍵的作用。在獲取有效的信息之后，可以將其進行保存，其保存的時間間隔為10 s，可以取得某個時間段內時間與溫度所具有的關系，促使其對高壓開關的相關信息進行有效的分析，同時，在發出報警之后，其信息將會被儲存，從而使生產具備較強的安全性[7]。

4 試驗驗證

對于硬件單元，其主要對傳感器、信號傳輸及信息儲存功能所具備的可靠性進行驗證。

4.1 傳感器的可靠度檢驗

處于同一溫度下，應當對礦井內的實際環境加以考慮，將-10～70℃之間定為溫度區，其監測的周期為10℃，對傳感器及溫度計兩個儀器的數據加以檢測，如表1所示。

表1 測試數據

根據結果可知，傳感器與溫度計兩個儀器所檢測的溫度并不存在明顯的誤差，其精確度較高，與現場的要求相吻合，可以加以應用。

4.2 信號傳輸的可靠度檢測

在空蕩的房間中，選擇10 m作為步長來移動發射的源頭，其結果顯示，處于無障礙的狀況下，信號傳輸的距離可達到100 m。對礦井下的環境進行模擬，運用石板來覆蓋其表面，根據結果可知，在覆蓋完全的狀況下，信號的傳輸應當為5 m。由此可知，信號的傳輸與礦井的實際需求相吻合。

4.3 數據存儲的檢測

導出電腦收集到的數據，并將其打印出來，其時間間隔為30 mm，對下一個0.5 h的溫度進行預測，其結果顯示，在溫度的危險區域內，基于溫度升高的趨勢，將其達到臨界點的時間加以預測。同時，將20天作為1個周期，在5個周期以內，數據都可以取得較好的保存，其數據保存的有效性與礦井的實際需求相吻合[8]。

5 結束語

與井下的環境相結合，得到溫度系統所應達到的理論程度，基于現有的技術狀況，選取溫度感知元件、電池及無線射頻技術分別作為溫度檢測、電力供給及信息傳輸的方式?；诖藖碓O計出一套最佳的溫度系統，經過反復驗證，信息傳輸、溫度檢測及數據保存都具備較高的精確性，與井下的需求相適應，表明該系統的設計較為合理，極大確保了礦山生產的安全性。