礦用高壓柜隔離開關(guān)觸頭溫度檢測(cè)系統(tǒng)研究

平鵬偉

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西長(zhǎng)治 046102）

0 引言

在礦井下，高壓開關(guān)柜占據(jù)著極其關(guān)鍵的地位，不僅對(duì)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行有著直接的關(guān)系，而且對(duì)各個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)有著一定的影響。但是，由于礦山在不斷的發(fā)展中，井下所需的電力設(shè)備也應(yīng)當(dāng)持續(xù)增加，其供電體系的運(yùn)行極有可能為超臨界狀態(tài)。若運(yùn)行負(fù)荷過(guò)高或者超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不僅對(duì)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(guān)的運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致觸頭的溫度不斷上升，嚴(yán)重的會(huì)達(dá)到表皮的燃燒界點(diǎn)，誘發(fā)火災(zāi)。因此，針對(duì)該部位的溫度，應(yīng)當(dāng)研發(fā)一個(gè)有效的監(jiān)測(cè)體系，對(duì)其實(shí)施嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)，其溫度一旦與預(yù)警值相接近，應(yīng)當(dāng)立刻采取措施，防止因火災(zāi)的發(fā)生而造成一定的破壞。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

選擇煤礦進(jìn)行研究，根據(jù)高壓柜所處的環(huán)境及應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能，將相應(yīng)的觸頭溫度系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的程度進(jìn)行歸納：

（1）傳感器在監(jiān)測(cè)到觸頭溫度時(shí)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，應(yīng)當(dāng)確保測(cè)量具備即時(shí)性；

（2）信號(hào)的傳輸應(yīng)當(dāng)具備穩(wěn)定性，其他的設(shè)備不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，應(yīng)當(dāng)確保信號(hào)在覆蓋區(qū)域內(nèi)的傳輸具備真實(shí)性；

（3）檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)保持較長(zhǎng)的工作時(shí)間，因此需要保持獨(dú)立的供電系統(tǒng)。如果將相應(yīng)的供電網(wǎng)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(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的規(guī)避[1]。

2 設(shè)計(jì)方案的選取

該方案應(yīng)當(dāng)涵蓋3部分的內(nèi)容，分別為溫度的檢測(cè)、電力的供給及信號(hào)的傳輸。

2.1 溫度的檢測(cè)模式

根據(jù)檢測(cè)儀器是否與檢測(cè)部位相接觸來(lái)對(duì)溫度檢測(cè)進(jìn)行劃分，其主要有兩種：

（1）接觸式檢測(cè)。利用溫感設(shè)備將溫度的改變來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，對(duì)觸頭的溫度進(jìn)行檢測(cè)。該方法所具備的優(yōu)勢(shì)在于具備較高的敏銳度，即便溫度所發(fā)生的變化極其微小，也可以產(chǎn)生反應(yīng)，同時(shí)應(yīng)用該設(shè)備不需要較高的成本，而且因其自身就處于電網(wǎng)循環(huán)之中，不需要額外的電力供應(yīng)[2]。

（2）非接觸式檢測(cè)。指的是利用光纖及紅外兩種檢測(cè)方式，其檢測(cè)效果較為精確，誤差較小，但是光纖檢測(cè)器的價(jià)格較高，不具備適用性。與該檢測(cè)器相比，紅外檢測(cè)器的成本較低，但是該儀器的不足就是無(wú)法對(duì)小型的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，而觸頭恰巧屬于這類部件，因此無(wú)法使用。與上述分析相結(jié)合，運(yùn)用第一種方法來(lái)檢測(cè)觸頭的溫度，即使用相應(yīng)的溫感設(shè)備來(lái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 電力的供給模式

借鑒國(guó)內(nèi)外井下電氣系統(tǒng)的管理經(jīng)驗(yàn)，參考這些方式來(lái)為溫度檢測(cè)系統(tǒng)提供電力，根據(jù)其是否需要進(jìn)行外部傳輸可以將其分為兩類。

（1）自給式，指的是通過(guò)設(shè)備上的電池來(lái)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(yōu)點(diǎn)主要為不需要額外添加線路，缺點(diǎn)在于需要按時(shí)更替電池，檢修較為困難；另一種是通過(guò)安裝太陽(yáng)能等設(shè)備，依靠高壓開關(guān)所在的環(huán)境來(lái)供電，以供系統(tǒng)使用，其缺點(diǎn)也較為明顯，即過(guò)于依賴環(huán)境，一旦環(huán)境中無(wú)光無(wú)風(fēng)，將不再有電力的供應(yīng)[3]。

（2）傳輸式，指的是將檢測(cè)體系之內(nèi)的供電與現(xiàn)存的電網(wǎng)相連接。其存在的優(yōu)點(diǎn)主要為便捷，缺點(diǎn)就是在產(chǎn)生故障之后無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的檢測(cè)效果。

對(duì)礦井下環(huán)境及經(jīng)濟(jì)等各個(gè)因素進(jìn)行有效分析，將電池作為提供電能的模式，確保發(fā)生故障時(shí)也可以具備較高的檢測(cè)精度。

2.3 信號(hào)傳輸?shù)姆绞?/h3>

借鑒礦井下通訊信號(hào)的傳輸方式，對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)主要存在4種信號(hào)傳輸。

（1）光纖傳輸。它所具有的優(yōu)勢(shì)為高寬帶，具有可靠的傳輸質(zhì)量及速度；不足之處就是鋪設(shè)光纖會(huì)耗費(fèi)較大的錢力物力，難以接受成本，因此對(duì)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(wǎng)中，利用電流所具有的信息來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸。該方法具備較大的便捷性，但是在電網(wǎng)中，電流具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效果，極大影響著信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致其傳輸?shù)馁|(zhì)量無(wú)法得到保障[4]。溫度體系所傳輸?shù)男盘?hào)不具備較大的強(qiáng)度，極易受到干擾，因此該方式也不加考慮。

（3）公用無(wú)線通訊網(wǎng)。它具有較高的成本，每年都需要支出一定的服務(wù)費(fèi)用，對(duì)于礦山企業(yè)而言，這并不實(shí)惠，因此該方法也可以排除。

（4）無(wú)線射頻技術(shù)。ZigBee作為一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，其消耗的功率及經(jīng)濟(jì)都處于可接受的范圍之內(nèi)，適用于礦井下的信號(hào)傳輸，因此該方法具有較強(qiáng)的可行性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的組成

選擇礦井進(jìn)行研究，對(duì)礦井35 kV的高壓柜隔離開關(guān)觸頭所具有的溫度加以檢測(cè)，在該部位安裝相應(yīng)的傳感器，對(duì)溫度變化加以轉(zhuǎn)換，使其成為電流強(qiáng)度的改變，利用無(wú)線射頻技術(shù)來(lái)傳輸相應(yīng)的信息，判斷該溫度是否達(dá)到警戒點(diǎn)，若達(dá)到或超出預(yù)警值，其報(bào)警裝置將會(huì)做出反應(yīng)，避免因觸頭的溫度過(guò)高而產(chǎn)生危險(xiǎn)圈，系統(tǒng)的結(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

當(dāng)電腦接收到信息之后，電腦可以及時(shí)地顯示出信息，以確保相關(guān)人員可以精確掌握到觸頭的溫度，同時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)對(duì)信息進(jìn)行一系列的處理[5]，例如設(shè)定時(shí)間段及周期性的數(shù)據(jù)比較，為維修提供可靠的依據(jù)，軟件功能的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 礦用高壓柜顆粒開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)軟件功能示意圖

3.2 數(shù)據(jù)的處理

電腦在收集到各種數(shù)據(jù)之后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)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(diǎn)。

3.2.1 預(yù)警的功能

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程中，其核心環(huán)節(jié)就是預(yù)警，當(dāng)溫度與臨界點(diǎn)相接近的時(shí)候，警報(bào)將會(huì)啟動(dòng)，若條件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)再安裝一個(gè)連鎖裝置，將高溫線路加以切換，促使其成為備用線路，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后再進(jìn)行使用[6]。

3.2.2 信息儲(chǔ)存的功能

除預(yù)警之外，信息儲(chǔ)存也發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。在獲取有效的信息之后，可以將其進(jìn)行保存，其保存的時(shí)間間隔為10 s，可以取得某個(gè)時(shí)間段內(nèi)時(shí)間與溫度所具有的關(guān)系，促使其對(duì)高壓開關(guān)的相關(guān)信息進(jìn)行有效的分析，同時(shí)，在發(fā)出報(bào)警之后，其信息將會(huì)被儲(chǔ)存，從而使生產(chǎn)具備較強(qiáng)的安全性[7]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于硬件單元，其主要對(duì)傳感器、信號(hào)傳輸及信息儲(chǔ)存功能所具備的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 傳感器的可靠度檢驗(yàn)

處于同一溫度下，應(yīng)當(dāng)對(duì)礦井內(nèi)的實(shí)際環(huán)境加以考慮，將-10～70℃之間定為溫度區(qū)，其監(jiān)測(cè)的周期為10℃，對(duì)傳感器及溫度計(jì)兩個(gè)儀器的數(shù)據(jù)加以檢測(cè)，如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)結(jié)果可知，傳感器與溫度計(jì)兩個(gè)儀器所檢測(cè)的溫度并不存在明顯的誤差，其精確度較高，與現(xiàn)場(chǎng)的要求相吻合，可以加以應(yīng)用。

4.2 信號(hào)傳輸?shù)目煽慷葯z測(cè)

在空蕩的房間中，選擇10 m作為步長(zhǎng)來(lái)移動(dòng)發(fā)射的源頭，其結(jié)果顯示，處于無(wú)障礙的狀況下，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x可達(dá)到100 m。對(duì)礦井下的環(huán)境進(jìn)行模擬，運(yùn)用石板來(lái)覆蓋其表面，根據(jù)結(jié)果可知，在覆蓋完全的狀況下，信號(hào)的傳輸應(yīng)當(dāng)為5 m。由此可知，信號(hào)的傳輸與礦井的實(shí)際需求相吻合。

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的檢測(cè)

導(dǎo)出電腦收集到的數(shù)據(jù)，并將其打印出來(lái)，其時(shí)間間隔為30 mm，對(duì)下一個(gè)0.5 h的溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果顯示，在溫度的危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，基于溫度升高的趨勢(shì)，將其達(dá)到臨界點(diǎn)的時(shí)間加以預(yù)測(cè)。同時(shí)，將20天作為1個(gè)周期，在5個(gè)周期以內(nèi)，數(shù)據(jù)都可以取得較好的保存，其數(shù)據(jù)保存的有效性與礦井的實(shí)際需求相吻合[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

與井下的環(huán)境相結(jié)合，得到溫度系統(tǒng)所應(yīng)達(dá)到的理論程度，基于現(xiàn)有的技術(shù)狀況，選取溫度感知元件、電池及無(wú)線射頻技術(shù)分別作為溫度檢測(cè)、電力供給及信息傳輸?shù)姆绞??；诖藖?lái)設(shè)計(jì)出一套最佳的溫度系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，信息傳輸、溫度檢測(cè)及數(shù)據(jù)保存都具備較高的精確性，與井下的需求相適應(yīng)，表明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為合理，極大確保了礦山生產(chǎn)的安全性。