5G 設(shè)備煤礦井下電源供電技術(shù)

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(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦井下通訊系統(tǒng)的高可靠、全覆蓋運行不但可以提高整個礦井的生產(chǎn)效率，還可以對各種運輸設(shè)備、采煤機等進(jìn)行工作狀態(tài)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(lián)時代的高速發(fā)展，5G 技術(shù)商用步伐加快，把5G 技術(shù)應(yīng)用到礦山行業(yè)，應(yīng)用到煤礦井下工作面，使井下、井上實現(xiàn)無縫對接，助力于無人采礦設(shè)備的運行，從而實現(xiàn)無人礦山，可以從根本上避免人員傷亡，但是由于5G 設(shè)備的高速率傳送等，導(dǎo)致了5G 設(shè)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(shè)備對其進(jìn)行供電。為此重點的對5G 設(shè)備煤礦井下電源供電技術(shù)進(jìn)行研究，并提供全套的設(shè)計方案[1]。

1 煤礦井下通訊設(shè)備電源供電技術(shù)

煤礦井下通訊設(shè)備供電電源均采用隔爆兼本質(zhì)安全型設(shè)計，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)在爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備的相關(guān)規(guī)定：本質(zhì)安全型設(shè)計是指正常工作和施加最不利條件下的非計數(shù)故障條件下，產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃爆炸性氣體環(huán)境的電路，這樣本質(zhì)安全型設(shè)計就要從電火花的限制和熱效應(yīng)的限能2 方面來處理，如果想要限制電火花及熱效應(yīng)的能量，那么就要采用低功率設(shè)計，對電路中的電容、電感及一些需要電流控制的芯片進(jìn)行最大程度的優(yōu)化，但是能量輸出的限制又導(dǎo)致了電源供電能力的不足，而目前煤礦井下所使用的5G 設(shè)備大部分都需要大容量的電源進(jìn)行供電，這就需要供電電源在能量輸出及本質(zhì)安全方面選取一個折中點，既能保證煤礦井下5G 設(shè)備的正常供電，又能保證電源的本質(zhì)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(shè)備進(jìn)行供電，同時防止大電流的沖擊還可以提高供電設(shè)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(tǒng)的組網(wǎng)主要包括：礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換器等，礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機用于組環(huán)網(wǎng)，對上與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xiàn)對井下各工作面、巷道、機電硐室等全場景無線網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換器、5G 通訊設(shè)備、人員定位設(shè)備，形成5G 井下無線全數(shù)據(jù)交互及管理[3]。

2 5G 設(shè)備電源供電方案

5G 設(shè)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(guān)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(shè)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(shù)據(jù)通訊接口為符合當(dāng)前煤安監(jiān)函【2016】5 號文《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中第1 條傳輸數(shù)字化的要求采用RS485 數(shù)字通訊、光纖通訊、5G 無線通許傳輸，5G 設(shè)備電源供電整體設(shè)計方案如圖1。

圖1 5G 設(shè)備電源供電整體設(shè)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(shù)據(jù)信號交互均接入接線腔體，接線腔體通過隔爆型電氣設(shè)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(shù)據(jù)信號交互與電源主腔體進(jìn)行互聯(lián)，備用電池開關(guān)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(shè)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(zhuǎn)換為AC220 V 供電，AC220 V 電壓首先要經(jīng)過過流保護(hù)模塊，過流保護(hù)模塊的主要作用為當(dāng)后端電路出現(xiàn)短路等其它故障時所導(dǎo)致供電電流迅速增大時，對供電電源起到保護(hù)功能，過流保護(hù)模塊主要由可熔斷保險絲來實現(xiàn)，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(shè)備的電源輸出。根據(jù)煤安監(jiān)函【2016】5 號文《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中對抗電磁干擾的要求，在5G 設(shè)備煤礦井下電源供電設(shè)備中設(shè)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(shè)備的干擾；AC220 V 經(jīng)AC/DC 模塊將交流電源轉(zhuǎn)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(wěn)壓輸出24 V 隔離直流電源，24 V隔離直流電源經(jīng)過ib/ia 本安輸出保護(hù)模塊將非本安輸出電源轉(zhuǎn)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(jīng)過ib/ia 本安輸出保護(hù)模塊將非本安輸出電源轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備的供電需求；第3 路用于電池組的充電及當(dāng)交流電斷電時電池組將對其進(jìn)行反向供電，為第1 路DC24 V 及第2 路DC12 V提供穩(wěn)定的電源輸出，符合煤安監(jiān)函【2016】5 號文《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中關(guān)于備用電源的要求，具體設(shè)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(hù)模塊對5 組串聯(lián)電池組進(jìn)行充放電管理，當(dāng)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(jìn)行充電管理，當(dāng)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(jìn)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(jìn)行串聯(lián)輸出直流16 V，直流16 V 經(jīng)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(jìn)行供電[7]。

主控單元主要負(fù)責(zé)直流輸出電源信息采集、數(shù)據(jù)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(jìn)行供電，電源主腔功能模塊整體設(shè)計方案如圖2。

圖2 電源主腔功能模塊整體設(shè)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(jìn)行電壓及電流信號的采集，用于實時監(jiān)測5G 設(shè)備的供電參數(shù)，由于目前井下設(shè)備的布置，電源與5G 設(shè)備的供電距離要實施2 km/3 km/6 km 分級管理，那么對5G 設(shè)備所消耗電流的監(jiān)測就越來越重要，因為電源為本安型輸出，有最大本安參數(shù)的限制，所以通過對電流指標(biāo)的監(jiān)測可以實時的掌握5G 設(shè)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(fā)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(jié)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(tài)[8]。

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

數(shù)據(jù)通訊單元用于完成電源內(nèi)部電池組信息、輸出電源信息、電源工作狀態(tài)的上傳，可通過RS485、光纖、5G 無線3 種鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸采集穩(wěn)定，抗電磁干擾能力強。

3 結(jié) 語

研究了煤礦井下5G 設(shè)備的電源供電技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有供電方式的對比及存在的問題進(jìn)行綜合分析，詳細(xì)的闡述了供電電源的設(shè)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(hù)方式、電源5G 數(shù)據(jù)傳送等方式，引入了全新的設(shè)計方案，為了更好更快的發(fā)展煤炭行業(yè)的無線通訊模式，5G 數(shù)字通訊將做為一種全新的煤礦安全通信系統(tǒng)在煤炭行業(yè)進(jìn)行大面積的普及。