煤礦井下供電系統遠方漏電試驗功能的設計

朱發和，薛 冰

(淮北礦業集團， 安徽 淮北 235000)

煤礦智能化水平的不斷提高使井下供電安全在生產中的作用更加重要，它時刻影響著煤炭開采的產量及生產者的生命安全。井下作業環境一般比較潮濕，施工條件差，盡管采用各種措施，仍不可避免會發生漏電現象。為保證供電安全，井下發生漏電事故后低壓饋電保護器必須可靠動作，因此需要定期在饋電線路末端通過電阻接地的方式對保護器漏電保護功能加以檢查和驗證。

傳統電纜遠端漏電試驗方法是通過將饋電開關分閘斷電，打開電磁啟動器防爆殼，采用電阻箱將試驗接地電阻的一端由導線連接到一條火線，另一端經導線接地，需要井下多人操作。該試驗方法操作不方便同時還對試驗人員產生不安全因素。本文通過對煤礦井下低壓漏電試驗過程進行分析，結合煤礦已普遍安裝煤礦電力監控的特點，提出將煤礦遠方漏電試驗功能融合在煤礦電力監控系統的設計方案。

1 煤礦井下遠方漏電試驗系統方案

1.1 遠方漏電試驗系統構成

煤礦井下遠方漏電試驗系統由井下遠方漏電試驗箱、綜合保護器、監控計算機或手持紅外遙控器及其通信網絡構建而成,見圖1.

圖1 煤礦井下遠方漏電試驗系統圖

遠方漏電試驗箱，就地安裝電纜末端電磁啟動器側，供電電源取自電磁啟動器進線電纜上口，低壓饋電開關合閘后，給電磁啟動器漏電試驗箱供電；試驗箱內置超級電容，交流失電時，延遲斷電，將試驗信息上送監控系統計算機。根據井下低壓電壓等級配置漏電接地電阻：AC1 140 V/20 kΩ、AC660 V/11 kΩ，支持就地和遠方遙控投切電阻。遠方漏電試驗箱，設計具有有線和無線多種通信方式，串口RS485、以太網光纖、4G/5G通信、WiFi等，根據現場情況構建井上井下通信網絡。

綜合保護器安裝于低壓饋電開關內部，是饋電開關的保護器，當供電電路中出現過載、短路、漏電和欠壓、過壓故障時，饋電開關能自動切斷電源。與監控系統計算機通信，可實現遙測、遙信監視和遙控操作，具有選擇性漏電保護功能。

通信網絡共用煤礦供電監控系統網絡，監控計算機安裝在井上監控室或生產調度中心，綜合保護器和遠方漏電試驗箱部署于井下；通過煤礦工業環網連接在一起。

1.2 漏電試驗箱設計

漏電試驗箱的硬件和結構設計應滿足GB 3836—2010防爆要求，必須取得“MA”認證及相應資質，方可在井下試驗應用。

1.2.1 硬件和結構設計

漏電試驗箱的硬件包括：CPU主板、液晶顯示、通信模塊、電源模塊和接地電阻電路。漏電試驗箱原理圖見圖2.

圖2 漏電試驗箱原理圖

CPU主板。采用ARM芯片，完成漏電試驗功能、開入處理、通信協議以及液晶顯示功能。

通信模塊。采用多種通信方式進行選擇：RS485通信；光纖以太網通信，配置光纖熔接盒；4 G/5G通信模塊，通過以太網口或RS485口接入，配置規約透傳模式；無線WiFi通信方式等。

開入回路。運行狀態取(電磁啟動器、分饋開關)開關合位；瓦斯閉鎖取瓦斯傳感器越限輸出接點；交流失電取電源模塊交流供電監視接點。

供電線路。取(電磁啟動器、分饋開關)電源側兩相A相、C相，接入變壓器T給裝置供電；漏電試驗電阻，根據電壓等級進行配置，滿足用戶試驗規程要求。

供電電纜、試驗接地電纜(4芯)引入裝置。裝置內應有接線柱，試驗接地電纜應采用4～6 mm2電纜。

電源模塊。配置超級電容，用于上級饋電開關跳閘裝置失電后，信息保存；電源模塊配有交流失電輸出接點，用于判斷是否上級漏電跳閘動作；電源模塊寬范圍輸入，輸出電壓DC5 V、DC24 V供給CPU主板、通信模塊等。

漏電試驗電阻電路。1 140 V配置20 kΩ、660 V需要配置11 kΩ電阻，以便適應不同電壓等級試驗，電阻準確度不大于5%；通過CPU核心單元的開出，依據電壓等級和遙控命令投入不同電阻，開出觸點應能夠滿足AC1 140 V電壓。

在硬件設計的基礎上，考慮各插件、變壓器T的布置、通信模塊的安裝及天線的引出。

外形尺寸為長525 mm×寬349 mm×厚237 mm.漏電試驗箱外形結構見圖3.

1.2.2 漏電試驗軟件設計

漏電試驗功能可以通過監控系統遠方遙控或當地遙控操作啟動，裝置接收啟動信息后，在無瓦斯閉鎖開入(如接入)情況下，根據系統電壓參數對應的漏電電阻值，投入漏電電阻，當交流失電或經過延時定值t返回，退出投入，并生成漏電試驗報告，儲存并上送監控系統。投入漏電電阻后，如交流失電，生成漏電試驗成功報告；如經過延時定值t返回，生成漏電試驗失敗報告。邏輯框圖見圖4.

圖3 漏電試驗箱外形結構圖

圖4 漏電試驗箱漏電試驗邏輯圖

2 監控系統遠方漏電試驗軟件設計

監控系統漏電試驗功能軟件結構框圖見圖5.前置機與人機交互界面和井下裝置進行通信交互數據和數據處理，并將數據儲存到數據庫和歷史庫中。在人機界面繪制系統圖，操作遠方漏電試驗，井下裝置上送的SOE和報告顯示在告警窗中。試驗完后，遠方漏電試驗結果會生成漏電試驗報告呈現給用戶。

圖5 井下漏電試驗系統軟件結構圖

監控主機與遠方漏電試驗箱直接通信，通信規約為配網104規約或MODBUS規約(具體依據系統接線方式)。

井下漏電試驗監控操作畫面見圖6，總饋開關、分饋開關配保護器、電磁啟動器配漏電試驗箱。S1、S2為遠方漏電試驗點，試驗點右鍵點擊“漏電試驗”，監控主機發送漏電試驗遙控信息給遠方漏電試驗箱，遠方漏電試驗箱接收漏電試驗信息后，執行漏電試驗。監控主機接收試驗結果：漏電試驗報告。

監控主機根據系統運行拓撲圖，收集試驗點電磁啟動器Q1(遠方漏電試驗箱)、分饋電開關K1、總饋電開關K0上送的信息，生成漏電試驗報告。

漏電試驗成功判據：監控計算機收到分饋開關保護器漏電保護動作跳閘及報告信息，下發“保護復歸”給保護器，下發“合閘”給保護器，饋電開關合閘，完成送電。監控系統形成漏電試驗綜合報告，報告漏電實驗成功。

圖6 井下漏電試驗監控操作畫面圖

漏電試驗失敗判據：監控計算機沒有收到分饋開關保護器漏電保護動作跳閘及報告，或收到總饋開關保護器漏電保護動作跳閘及報告，監控系統形成漏電試驗綜合報告，報告漏電試驗失敗。漏電試驗失敗，監控計算機給出提示告警信息，提示用戶需要調整保護器漏電定值，檢查電纜和裝置接地線路。

3 煤礦井下遠方漏電試驗系統的現場試驗

楊柳煤礦按上述設計搭建煤礦井下遠方漏電試驗系統，從地面電力監控系統對井下試驗點進行試驗，遠方操作漏電試驗箱投入試驗電阻，低壓保護器漏電保護動作跳閘，試驗完成后，監控機自動生成漏電試驗報告，驗證了低壓保護器漏電保護功能及定值設置的合理性，達到了預期的設計目的，滿足用戶使用需求。

4 結 論

結合煤礦供電電氣設備運行的實際情況，將煤礦供電監控系統和遠方漏電試驗結合起來，設計了煤礦井下遠方漏電試驗系統，該系統實現了漏電試驗的遠方操作，操作過程可追溯并智能判斷形成漏電試驗報告，驗證保護器漏電保護功能，對設備預診斷和檢修提供參考依據，能夠對煤礦每月需要進行的低壓遠方漏電試驗在地面進行遠程測試，該系統的實施能夠大幅降低煤礦對技術人員的專業要求，減輕人員的工作強度，減少由于停送電操作帶來的安全風險，具有一定的實際應用價值。