5G 設備煤礦井下電源供電技術

馬 龍

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦井下通訊系統的高可靠、全覆蓋運行不但可以提高整個礦井的生產效率，還可以對各種運輸設備、采煤機等進行工作狀態檢測與診斷，只有這樣才能保證整個煤礦的安全運行。隨著人工智能與萬物互聯時代的高速發展，5G 技術商用步伐加快，把5G 技術應用到礦山行業，應用到煤礦井下工作面，使井下、井上實現無縫對接，助力于無人采礦設備的運行，從而實現無人礦山，可以從根本上避免人員傷亡，但是由于5G 設備的高速率傳送等，導致了5G 設備的功耗普遍都很高，這就需要有可以輸出更大容量的電源設備對其進行供電。為此重點的對5G 設備煤礦井下電源供電技術進行研究，并提供全套的設計方案[1]。

1 煤礦井下通訊設備電源供電技術

煤礦井下通訊設備供電電源均采用隔爆兼本質安全型設計，根據國家標準在爆炸性環境用電氣設備的相關規定：本質安全型設計是指正常工作和施加最不利條件下的非計數故障條件下，產生的電火花和熱效應均不能點燃爆炸性氣體環境的電路，這樣本質安全型設計就要從電火花的限制和熱效應的限能2 方面來處理，如果想要限制電火花及熱效應的能量，那么就要采用低功率設計，對電路中的電容、電感及一些需要電流控制的芯片進行最大程度的優化，但是能量輸出的限制又導致了電源供電能力的不足，而目前煤礦井下所使用的5G 設備大部分都需要大容量的電源進行供電，這就需要供電電源在能量輸出及本質安全方面選取一個折中點，既能保證煤礦井下5G 設備的正常供電，又能保證電源的本質安全型輸出，特別是對“上電沖擊電流”的控制，如果可以很好的控制“上電沖擊電流”，那么在同樣的情況下電源就可以為更多的設備進行供電，同時防止大電流的沖擊還可以提高供電設備的使用效率，并且可以延長其使用壽命[2]。

目前煤礦井下無線通訊系統的組網主要包括：礦用隔爆兼本安型網絡交換機、礦用隔爆兼本安型基站（有線基站/無線基站）、礦用本安型轉換器等，礦用隔爆兼本安型網絡交換機用于組環網，對上與監控中心進行數據交互，對下接入5G 礦用隔爆兼本安型基站，通過5G 礦用隔爆兼本安型基站實現對井下各工作面、巷道、機電硐室等全場景無線網絡覆蓋，5G 礦用隔爆兼本安型基站可接入5G 無線攝像儀、礦用本安型轉換器、5G 通訊設備、人員定位設備，形成5G 井下無線全數據交互及管理[3]。

2 5G 設備電源供電方案

5G 設備煤礦井下電源主體包括4 部分：接線腔體、電源主腔體、備用電池開關腔體、備用電池腔體，電源主體及組成4 部分均采用防爆外殼設計，輸入電源可兼容煤礦井下通用交流動力電127 V/660 V/1 140 V 3 種，對外輸出2 路本安電源DC12 V 及DC24 V[4]，數據通訊接口為符合當前煤安監函【2016】5 號文《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中第1 條傳輸數字化的要求采用RS485 數字通訊、光纖通訊、5G 無線通許傳輸，5G 設備電源供電整體設計方案如圖1。

圖1 5G 設備電源供電整體設計方案Fig.1 Overall design scheme of power supply for 5G equipment

交流供電、本安電源輸出、數據信號交互均接入接線腔體，接線腔體通過隔爆型電氣設備接線端子將交流供電引入到電源主腔體，通過隔爆型穿墻端子將本安電源輸出及數據信號交互與電源主腔體進行互聯，備用電池開關腔體主要用于備用電池供電的切斷，防止井下帶電開蓋，備用電池腔體用于供電電池的安裝及擺放[5]。

設計方案中所選用的變壓器為多抽頭變壓器，變壓器可將AC127 V/660 V/1 140 V 3 種交流供電轉換為AC220 V 供電，AC220 V 電壓首先要經過過流保護模塊，過流保護模塊的主要作用為當后端電路出現短路等其它故障時所導致供電電流迅速增大時，對供電電源起到保護功能，過流保護模塊主要由可熔斷保險絲來實現，一旦電流超過可熔斷保險絲最大電流額定值時，可熔斷保險絲燒斷，截止供電電源對設備的電源輸出。根據煤安監函【2016】5 號文《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中對抗電磁干擾的要求，在5G 設備煤礦井下電源供電設備中設計安裝EMI 濾波裝置，其主要作用為抑制浪涌和群脈沖對供電設備的干擾；AC220 V 經AC/DC 模塊將交流電源轉換為24 V 直流電源[6]。

24 V 直流電源分為3 路，第1 路通過DC24 V隔離電源模塊穩壓輸出24 V 隔離直流電源，24 V隔離直流電源經過ib/ia 本安輸出保護模塊將非本安輸出電源轉換為本安24 V 直流供電輸出；第2 路通過DC12 V 隔離電源模塊降壓輸出12 V 隔離直流電源，12 V 隔離直流電源經過ib/ia 本安輸出保護模塊將非本安輸出電源轉換為本安12 V 直流供電輸出；以上2 路本安電源適用于煤礦井下5G 設備的電源供電，直流12 V 及24 V 基本上可以滿足目前煤礦井下大部分5G 設備的供電需求；第3 路用于電池組的充電及當交流電斷電時電池組將對其進行反向供電，為第1 路DC24 V 及第2 路DC12 V提供穩定的電源輸出，符合煤安監函【2016】5 號文《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中關于備用電源的要求，具體設計方案為：第3 路電源通過電池充放電管理模塊并通過電池組保護模塊對5 組串聯電池組進行充放電管理，當交流電正常供電的情況下電池充放電管理模塊對電池組進行充電管理，當交流電斷開供電的情況下，電池充放電管理模塊對電池組進行放電管理，由于電池組所采用的是3.2 V/60 Ah 大容量電池，所以可以保證備用電源的大功率、長時間輸出，5 組3.2 V 電池進行串聯輸出直流16 V，直流16 V 經過電池電壓升壓模塊后輸出直流24 V，在交流電斷電的情況下，電池組為第1路及第2 路本安輸出電源進行供電[7]。

主控單元主要負責直流輸出電源信息采集、數據通訊、人機交互顯示、電池組信息采集等，上述所有模塊均由DC3.3 V 模塊進行供電，電源主腔功能模塊整體設計方案如圖2。

圖2 電源主腔功能模塊整體設計方案Fig.2 Overall design scheme of power supply main cavity function module

電源輸出信息采集單元通過AD620 芯片對DC24 V 及DC12 V 2 路輸出進行電壓及電流信號的采集，用于實時監測5G 設備的供電參數，由于目前井下設備的布置，電源與5G 設備的供電距離要實施2 km/3 km/6 km 分級管理，那么對5G 設備所消耗電流的監測就越來越重要，因為電源為本安型輸出，有最大本安參數的限制，所以通過對電流指標的監測可以實時的掌握5G 設備與電源之間的供電距離。

主控單元將電源輸出信息采集及電池信息采集的信號發送到人機交互顯示單元，電池信息采集信號為各電池的電壓、電流、溫度，人機交互顯示單元顯示5 組電池的充放電電壓、充放電電流、各節電池的溫度、DC12 V/DC24 V 輸出電壓值、輸出電流值、交/直流工作狀態[8]。

電池組保護模塊功能主要包括：直流電源具有單體電池過充電壓保護功能、直流電源具有單體電池過充電壓保護失效檢測功能、直流電源具有單體電池過放電壓保護功能、直流電源具有單體電池過放電壓保護失效檢測功能、直流電源具有充電過流保護功能、直流電源具有放電過流保護功能、直流電源具有輸出短路保護功能、直流電源具有溫度保護功能、直流電源具有電池信息采集線開路保護[9]。

數據通訊單元用于完成電源內部電池組信息、輸出電源信息、電源工作狀態的上傳，可通過RS485、光纖、5G 無線3 種鏈路進行數據的交互[10]。

上述各部分組成了電源主腔功能模塊、模塊具有后備電池供電能力，多種電壓選擇、輸出電流大的特點，電路數據傳輸采集穩定，抗電磁干擾能力強。

3 結 語

研究了煤礦井下5G 設備的電源供電技術，結合現有供電方式的對比及存在的問題進行綜合分析，詳細的闡述了供電電源的設計方案，對電源大容量輸出、充放電管理方式、備用電池升壓方式、電源本安輸出保護方式、電源5G 數據傳送等方式，引入了全新的設計方案，為了更好更快的發展煤炭行業的無線通訊模式，5G 數字通訊將做為一種全新的煤礦安全通信系統在煤炭行業進行大面積的普及。