安家?guī)X露天煤礦高壓供電地線連續(xù)性監(jiān)測技術(shù)研究

陳劍平

（平朔露天設(shè)備維修中心，山西 朔州 036006）

機電與自動化

安家?guī)X露天煤礦高壓供電地線連續(xù)性監(jiān)測技術(shù)研究

陳劍平

（平朔露天設(shè)備維修中心，山西 朔州 036006）

針對安家?guī)X露天礦地線連續(xù)性檢測的具體問題，提出了相應(yīng)的分析和解決方案，并討論了具體方案的算法程序，最后使用單片機對供電地線連續(xù)性檢測進行了實現(xiàn)，保障了露天煤礦高壓供電系統(tǒng)的安全可靠運行。

露天煤礦；高壓供電；地線；檢測

0 引言

高壓觸電事故是露天礦山的一項重大風(fēng)險源。相比較其他工礦企業(yè)，露天礦山發(fā)生人身觸電事故有以下特點：①露天礦生產(chǎn)多采用6 kV高壓供電，電源具有較大的能量，一旦發(fā)生事故，往往造成嚴重的傷害和損失；②露天設(shè)備供電電纜一般采用就近就地明敷在采場各處，與作業(yè)人員接觸程度密切；③作業(yè)過程中電纜被頻繁拖曳、移設(shè)，破損漏電概率很大；④露天礦群體作業(yè)如爆區(qū)準(zhǔn)備、維修保養(yǎng)等人員易受到高壓漏電的危害。

因此，露天礦礦坑供電系統(tǒng)應(yīng)保證供電設(shè)備-電纜-移動接線箱-電纜-受電設(shè)備之間地線連接的可靠性，以確保當(dāng)發(fā)生接地漏電情況時，有可靠的接地保護措施保證人員不受傷害。中煤平朔安家?guī)X露天礦的供電系統(tǒng)如圖1所示。

露天礦35/6 kV箱式移動變電站和移動開關(guān)柜是露天礦供電系統(tǒng)的重要組成部分，其作用在于變換電壓、匯集和分配電能。因此，露天礦高壓供電系統(tǒng)的安全可靠運行與露天礦的生產(chǎn)發(fā)展密切相關(guān)。要確保高壓供電系統(tǒng)安全可靠的運行，還需要對供電地線的狀態(tài)進行實時檢測。供電地線的主要作用是將電氣設(shè)備與大地的零點電位相連，以保證設(shè)備和人員的安全。

目前平朔露天礦的高壓供電系統(tǒng)仍然是20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，對高壓輸電地線狀態(tài)的檢測是通過電橋式檢測裝置進行，檢測過程操作復(fù)雜，誤觸發(fā)動作較多，極大地影響了安全生產(chǎn)的進行。由于原有供電系統(tǒng)檢測、維護的技術(shù)落后，目前這套檢測方式已經(jīng)幾乎不起作用，使得高壓供電系統(tǒng)的運行缺少了安全防護，安全生產(chǎn)得不到有效保障，嚴重制約了生產(chǎn)效率。

針對露天礦原有的高壓供電地線狀態(tài)檢測技術(shù)進行更新與改造，在物聯(lián)網(wǎng)理論的指導(dǎo)下實現(xiàn)及時、可靠的發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)中地線連接回路中存在的問題、進行故障定位、閉鎖狀態(tài)檢測、超限顯示報警、數(shù)據(jù)上傳等功能，使相關(guān)管理及工作人員完全掌握露天礦高壓供電系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并快速處理。

圖1 露天煤礦采掘場供電系統(tǒng)例圖

1 技術(shù)方案

露天礦山供電大多采用6芯型式的EHD-CPE重型氯化聚乙烯護套電纜，其中3芯為動力線，2芯雙鉸地線和1芯監(jiān)控線。露天礦采場供電系統(tǒng)中，移動變電站和移動開關(guān)柜承擔(dān)電力的轉(zhuǎn)換與分配，移動接線箱用作電纜的連接。

針對現(xiàn)場生產(chǎn)實際的需求，擬實現(xiàn)在移動開關(guān)柜線路連接完成后，在開關(guān)柜合閘輸送6 kV動力電之前，按壓移動開關(guān)柜中的檢測按鈕為整個控制線路加電，這時安裝于每個移動接線箱中的智能檢測模塊進行自檢。自檢完成后，將檢測到的柜門閉鎖信號、移動接線箱中控制線與地線之間的電壓、自己的編碼等信息，通過電力載波通訊方式傳輸?shù)綑z測中心機。檢測中心機接收到各個模塊的信息后進行分析計算后，依次顯示每個移動接線箱的位置以及編碼。地線連續(xù)性監(jiān)測系統(tǒng)如圖2，系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖3。

圖2 地線連續(xù)性監(jiān)測系統(tǒng)圖

某2個移動接線箱之間的阻值超限，檢測中心機將會在顯示屏上不間斷顯示這2個移動接線箱的位置編號以及它們的編碼，并將這2個移動接線箱對應(yīng)的警示燈顯示為黃色，同時報警器發(fā)出報警聲音以提示作業(yè)人員對線路進行檢修。整個線路中存在斷路的情況，檢測中心機將在顯示屏上不間斷顯示所能采集到的每個移動接線箱的位置編號以及它的編碼，并將所有警示燈顯示為紅色，表明當(dāng)前情況異常。同時報警器發(fā)出報警聲音以提示工作人員對線路進行檢修。

所有檢測信號正常，即各移動接線箱的電壓差在合理值內(nèi)，同時移動接線箱門關(guān)閉到位、閉鎖正常，則每個移動接線箱對應(yīng)警示燈全部為綠色，且不會有報警提示。合閘輸送動力電后，門鎖機構(gòu)會自動閉鎖，保證在有動力電的情況下即使用鑰匙也無法打開柜門。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

2 方案的算法實現(xiàn)

本系統(tǒng)中要避免信息碰撞，就需要讓每個下位機有序的將自己所采集的信息傳輸?shù)缴衔粰C，而上位機發(fā)送命令時，也需要將該命令有序的傳輸?shù)矫恳粋€下位機。因此，為每個下位機排序，排好序后，下位機按照排序依次將采集信息疊加傳送給上位機。實現(xiàn)該功能時，設(shè)計階段分別提出了電流排序法和電壓排序法，但電流排序法在實際實現(xiàn)過程中遇到了一些困難，經(jīng)過分析比較后，最終選擇了電壓排序法。下位機排序連接示意如圖4。

圖4 下位機排序連接示意圖

2.1 電流排序法

電流排序法是利用流過每個下位機的電流大小來為下位機排序的（電流排序法不需要在下位機上串聯(lián)小電阻）。在整個監(jiān)測回路中采用恒流源來為整個電路提供恒定的電流，假設(shè)每個下位機消耗相等的電流。比如恒流源輸出一個3 A的電流，每個下位機消耗相等電流0.1 A。那么下位機1將檢測到2.9 A的電流，下位機2將檢測到2.8 A的電流。下位機1檢測到2.9 A，與3 A相差0.1 A，排序Num=1。下位機2檢測到2.8 A，與3 A相差0.2 A，排序Num=2。下位機3檢測到2.7 A，與3 A相差0.3 A，排序Num=3。依次類推得到每個下位機的排序。但在實際實現(xiàn)時，遇到了以下問題：

1）恒流源所提供的電流不能太大，電流太大的話會導(dǎo)致電壓太高，對系統(tǒng)造成損傷，因此流過每個分布機的電流很小，不太容易準(zhǔn)確測量。

2）測量電流的電器元件的不一致性導(dǎo)致每個下位機測量的電流值差異太大,無法準(zhǔn)確測量。

3）測量電流時，采用的是霍爾電流傳感器，對磁場反應(yīng)比較敏感。而露天礦的工作環(huán)境復(fù)雜，存在各種磁場，不能保證電流的可靠采集。

4）此方法得到的下位機排序，不符合下位機向上位機上傳信息時的疊加的規(guī)律。下位機向上位機上傳信息時，需要從靠近終端模塊的下位機開始，依次將檢測信息疊加，最終將信息上傳給上位機。

2.2 電壓排序法

電壓排序法是利用每個下位機檢測到的電壓值規(guī)律來給為下位機排序。通過判斷下位機檢測到的電壓值范圍，得出下位機的排序。此方法需要將末端電壓穩(wěn)定在一個合理的電壓值，比如15 V，以此作為電壓判斷范圍的開始。還需在每個下位機上串聯(lián)一個相等的小電阻來消耗電壓，使每個下位機檢測到的電壓值出現(xiàn)明顯的電壓差，比如為1 V。根據(jù)這些數(shù)據(jù)我們在下位機程序中設(shè)有1個電壓對比表，當(dāng)電壓15＜V＜16時，排序Num=1，電壓16＜V＜17時，排序Num=2，當(dāng)電壓17＜V＜18時，排序Num=3，以此類推，設(shè)置10個電壓對比值。因為生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)時最多需要接10個移動開關(guān)柜。假如下位機3是離終端模塊最近的的下位機，那么下位機3檢測到的電壓值應(yīng)該介于15～16 V，排序為1。下位機2檢測到的電壓值應(yīng)該介于16～17 V，排序為2。下位機1檢測到的電壓值應(yīng)該介于17～18 V，排序為3。依次類推得到每個下位機的排序。此方法得到的排序是靠近終端模塊的下位機排在第1位，正好符合下位機向上位機上傳信息時的疊加的規(guī)律。

下位機向上位機傳輸信息的過程中采用信息疊加再轉(zhuǎn)發(fā)的方式將下位機采集到的信息傳輸?shù)缴衔粰C，每個下位機都具有接收數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，這樣即使中間有模塊出現(xiàn)故障，只要之后的模塊可以接收到數(shù)據(jù)，一樣可以將數(shù)據(jù)傳遞下去，確保了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

主監(jiān)控裝置接收檢測控制裝置上傳的各項數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)線路連接或開關(guān)柜閉鎖發(fā)生故障，主監(jiān)控裝置顯示故障信息，同時進行聲光報警。若分析正常，主監(jiān)控裝置顯示“檢測正?！?，提示工作人員手動加載高壓電。之后，主監(jiān)控裝置通過監(jiān)測線路電壓的變化情況來判斷線路連接狀態(tài)。系統(tǒng)每隔一定的時間需要向檢測控制裝置發(fā)送命令，讓其上傳最新的檢測數(shù)據(jù)，防止檢測控制裝置脫離主監(jiān)控裝置的控制，處于死機狀態(tài)。主監(jiān)控裝置工作流程如圖5所示。

圖5 主監(jiān)控裝置基本流程

3 方案的硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)備中央處理器是上位機的核心，選擇PIC18F6620單片機作為上位機的中央處理器。中央處理器負責(zé)分析處理下位機上傳的各項信息以及控制各個外圍連接硬件。顯示屏用來顯示上位機分析所得的各項需要顯示的信息，如數(shù)據(jù)信息、控制信息、報警提示信息等。指示燈和報警器為現(xiàn)場工作人員提供報警提示。KQ-130F電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用來實現(xiàn)上位機和下位機之間信息的交互。下位機主要由PIC18F6620中央處理器、報警器、指示燈、開關(guān)柜編號電路、閉鎖機構(gòu)電路、KQ-130F電力載波收發(fā)模塊6部分組成，這些組件在PIC18F6620單片機的控制下完成各自的功能。

4 結(jié) 語

供電系統(tǒng)監(jiān)視、測量、記錄等工作都自動進行，既提高了測量的精度，又避免了人為的主觀干預(yù)，運行人員只要通過觀看液晶屏幕，對露天采掘場主要設(shè)備和各輸、配電線路的運行工況和運行參數(shù)便一目了然。這套智能系統(tǒng)的引入為提高電鏟供電系統(tǒng)的可靠性、安全預(yù)防性提供了有效的保障。提高了露天煤礦電力系統(tǒng)的管理水平，增加工作時的安全性、保證人身安全、為實現(xiàn)數(shù)字化信息管理打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］郭翠珍，莊廷峰，于成文，等.露天礦采掘場供電、地線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)改造［J］.金屬礦山，2003，321（3）：61-62.

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［3］李月香，蔚晨月，陳劍平.露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)設(shè)計［J］.山西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，39（1）：56-60.

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［5］袁健，馬鴻雷，陳玉東.關(guān)于煤礦6 kV高壓電網(wǎng)接地保護的討論［J］.山東煤炭科技，2010（5）：129-131.

［6］張平寬.露天采掘場的供配電系統(tǒng)設(shè)計［J］.露天采礦技術(shù)，2005（6）：27-29.

Research of high voltage power supply wire continuous monitoring technology in Anjialing Open-pit Mine

CHEN Jianping

(Equipment Maintenance Centre,Pingshuo Mining Company,Shuozhou 036006,China)

The article puts forward the corresponding analysis and solutions according to ground wire continuity test specific problems in Anjialing Open-pit Mine,and discusses the concrete scheme of the algorithm,and finally realizes the use of SCM to the power supply grounding continuity test.

open-pit mine;high voltage power supply;ground wire;detection

TD613+.5

B

1671－9816（2017）11－0043－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.012

陳劍平.安家?guī)X露天煤礦高壓供電地線連續(xù)性監(jiān)測技術(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（11）：43-46.

2017-06-15

陳劍平（1973—），男，山西忻州人，高級工程師，本科，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)礦山機械工程專業(yè)，現(xiàn)任中煤平朔集團有限公司露天設(shè)備維修中心副主任，從事露天采剝設(shè)備的維修管理工作。

【責(zé)任編輯：陳 毓】