煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠程集控漏電試驗平臺設(shè)計研究

崔智明

(潞安化工集團有限公司，山西省長治市，046204)

0 引言

在煤礦開采過程中，各生產(chǎn)系統(tǒng)都依賴供電系統(tǒng)獲取動力。一般情況下，煤礦的供電系統(tǒng)有高壓和低壓之分，而在煤礦生產(chǎn)過程中，這2種不同的供電系統(tǒng)所扮演的角色也不盡相同。較之高壓供電系統(tǒng)而言，作業(yè)者與低壓供電系統(tǒng)接觸的機會相對更多，因此潛在的作業(yè)風險更高，如果出現(xiàn)漏電，那么很可能會危及作業(yè)人員的生命安全。當前高度自動化已經(jīng)成為煤礦發(fā)展的必然趨勢，這必然會應(yīng)用到更多的低壓供電系統(tǒng)，在提高煤炭開采水平同時，還會對現(xiàn)場工人的人身安全產(chǎn)生重大影響。井工煤礦煤炭開采井下環(huán)境空氣濕度較大，且空氣中往往含有很多易燃易爆氣體，作業(yè)環(huán)境比較復雜，雖然具備一些日常防范措施，但低壓供電系統(tǒng)漏電問題還是時有發(fā)生。因此，低壓供電系統(tǒng)的漏電保護對煤礦企業(yè)很重要。一般情況下，磨損的電纜絕緣以及出現(xiàn)故障的機電系統(tǒng)等都可能導致煤礦井下低壓供電系統(tǒng)漏電。不僅如此，出現(xiàn)故障后的低壓供電系統(tǒng)往往會伴隨火花出現(xiàn)，一旦遇到明火，就有可能引起瓦斯爆炸事故。為了能夠更加安全地供電，必須確保饋電保護器能夠在出現(xiàn)漏電事故后能夠及時、準確地動作，所以必須對饋電線路末端進行定期檢查，并且其保護器要采用電阻接地的方式判斷是否具有漏電保護。

通常情況下，必須要在饋電開關(guān)非工作時對電纜遠端進行判斷，確定是否出現(xiàn)漏電，同時還要打開電磁啟動器防爆殼，判斷電磁啟動器防爆殼是否處于開放狀態(tài)，然后檢測接地電阻，等等。該操作程序需要大量井下工作人員共同完成，不僅步驟復雜還會導致測試人員安全風險的增加。為了使該問題得到妥善解決，筆者在深入分析煤礦井下低壓漏電試驗過程的基礎(chǔ)上，基于當前煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建了與之相匹配的遠程漏電試驗平臺，由此能夠確保所有漏電試驗和合閘動作都可以通過遠端完成，且只需要單人便可完成操作，不僅使操作流程更加優(yōu)化和簡便，同時還提高了操作效率，煤礦井下作業(yè)安全系數(shù)也大幅提升。

1 煤礦井下低壓供電系統(tǒng)特征及漏電原因分析

1.1 煤礦井下低壓供電系統(tǒng)特征

結(jié)合煤礦井下供電過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，對煤礦低壓供電系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了潛在的各種風險。

煤礦各個動力變壓器的電源必須保持相對獨立。而目前煤礦井下低壓供電系統(tǒng)的供電方式一般需要多組獨立小型供電系統(tǒng)來實現(xiàn)，并且大多數(shù)煤礦電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定使用1臺獨立動力的變壓器。當前，660 V或1 140 V是煤礦比較常見的2種電壓，并且實際供電電壓往往與所采用的采煤方法密切關(guān)聯(lián)。比如，660 V的供電電壓經(jīng)常被設(shè)置在綜合機械化的煤炭開采過程。而觸電是低壓供電系統(tǒng)作業(yè)中常見的安全風險，因此煤礦的電纜線路要盡可能避免集中分布，這種分布方式能夠最大限度保證電容的分散性，從而最大限度減少觸電事故的發(fā)生。此外，煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中所包含的器件較為復雜，穩(wěn)定性也較差。因此，為了減少外界環(huán)境對煤礦電纜所造成的不利影響，避免造成安全隱患，必須確保供電網(wǎng)絡(luò)及其器件安全穩(wěn)定運行。煤礦井下低壓供電系統(tǒng)示意如圖所示。

DW—溫度補償?shù)姆€(wěn)壓二極管

1.2 煤礦井下低壓供電系統(tǒng)漏電原因

對煤礦井下供電系統(tǒng)而言，漏電影響因素繁雜，在多重因素的影響下往往會出現(xiàn)以下漏電問題。

(1)作業(yè)溫度過高。如果井下作業(yè)區(qū)溫度過高，電氣設(shè)備和電纜常常發(fā)生過載發(fā)熱問題，進而大幅降低了絕緣性。

(2)作業(yè)環(huán)境潮濕。煤礦井下通常比較潮濕，這樣的特殊環(huán)境會影響電氣設(shè)備的正常健康運行，一旦設(shè)備進水，就會降低絕緣電阻。同時，如果平時沒有及時維護保養(yǎng)電氣設(shè)備和電纜，對其中產(chǎn)生的問題疏于管理，未能在第一時間消除電纜受潮和絕緣降低的問題，就可能導致非常嚴重的后果。此外，如果對電氣設(shè)備違規(guī)使用，隨意對設(shè)備進行改動、改造，會使相關(guān)的間隙值發(fā)生重大改變，外殼放電的風險也會隨之增加，導致電氣設(shè)備帶病運行，無法保持高效工作。

(3)電氣設(shè)備等絕緣失效。煤礦井下往往存在多種作業(yè)交叉進行的情況，且作業(yè)空間有限，在這種情況下，如果受到作業(yè)車輛的摩擦、剮蹭等，就可能致使電纜絕緣磨損，甚至漏電。除此之外，搬動電纜或小角度彎曲電纜都會損傷電纜芯線，使其接地功能失效，發(fā)生漏電安全事故。

(4)檢修人員違規(guī)檢修電氣設(shè)備?，F(xiàn)場經(jīng)常存在檢修人員檢修不到位、項目不齊全等問題，這將導致電氣設(shè)備的一些潛在問題不能及時發(fā)現(xiàn)并處置，由此也會導致漏電問題的產(chǎn)生。

2 煤礦井下低壓供電系統(tǒng)漏電的危害

對處于運行狀態(tài)的低壓供電系統(tǒng)而言，漏電故障往往會帶來以下較為嚴重的危害。

(1)大大增加作業(yè)人員的觸電概率。井下空氣濕度相對較大，這必然會導致作業(yè)人員身體電阻值的下降，一旦出現(xiàn)觸電情況，很難輕易從中脫離，最終導致觸電，危及生命安全。

(2)導致產(chǎn)生瓦斯爆炸等事故。在電氣設(shè)備系統(tǒng)漏電的情況下，如果井下瓦斯?jié)舛仍?%～16%，將極易出現(xiàn)瓦斯爆炸事故。另外，出現(xiàn)電位差也是漏電回路節(jié)點的顯著特點，這種情況下將導致電雷管發(fā)生爆炸。

(3)導致電氣設(shè)備火災(zāi)事故發(fā)生。電氣設(shè)備的絕緣會因為漏電而發(fā)熱，進而發(fā)生短路，這是電氣設(shè)備發(fā)生火災(zāi)的主要原因之一。另外，電氣設(shè)備單相接地也會影響到電網(wǎng)電壓，產(chǎn)生過電壓后會傷及絕緣較差的設(shè)備。

(4)產(chǎn)生較大兩相對地電壓。單相接地是產(chǎn)生較大兩相對地電壓的主要原因。在這種情況下，其外部絕緣壓力驟然增加，由此破壞絕緣性能，一旦出現(xiàn)漏電，就會大幅增加故障所帶來的不利影響。

(5)增加瓦斯爆炸風險。當漏電故障出現(xiàn)后，井下各種作業(yè)會因為檢修而被迫停止，只有徹底排除和解決漏電故障后才能恢復作業(yè)。部分通風機也會因為停電而無法正常工作，從而會導致掘進工作面迅速聚集大量瓦斯，增加了瓦斯爆炸的風險隱患。

3 煤礦井下低壓供電遠程集控漏電試驗平臺工作

技術(shù)原理及原則

應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)并輔以智能控制技術(shù)的煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠程集控漏電試驗平臺的設(shè)計，具體涉及多種先進技術(shù)，比如遠程通信技術(shù)、集成漏電檢測技術(shù)等。構(gòu)建該平臺應(yīng)遵循以下技術(shù)原理和原則。

(1)漏電檢測技術(shù)。所使用的漏電檢測裝置靈敏度相對較高，對系統(tǒng)是否漏電可進行全方位監(jiān)測。在對電信號進行差異檢測的基礎(chǔ)之上，就能夠?qū)β╇娕c否作出準確判斷。

(2)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。通過傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對供電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行及時采集，得到關(guān)于電壓、電流的數(shù)值后向中央控制系統(tǒng)進行傳送，并在中央控制系統(tǒng)可對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，將其中的漏電信息篩選出來。

(3)遠程通信技術(shù)。借助專用通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)向遠程監(jiān)控中心傳送供電系統(tǒng)漏電信息，這些信息可及時在遠程監(jiān)控中心平臺上顯示，由此可對漏電試驗平臺的操作進行遠程控制，并對參數(shù)設(shè)置作出調(diào)整。

(4)漏電試驗方法與流程。漏電試驗方法的選擇以及流程的設(shè)計必須完全符合煤礦井下低壓供電系統(tǒng)的特點，由此可更加科學合理地設(shè)定試驗參數(shù)、選擇電阻接地方式等，從而得到較為準確的漏電試驗結(jié)果。

為此，筆者構(gòu)建了與之相匹配的煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠程集控漏電試驗平臺，以求在生產(chǎn)現(xiàn)場能夠準確定位漏電問題，并能迅速找到問題根源，從而大幅提升供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4 煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠程集控漏電試驗平臺

設(shè)計

4.1 遠程集控漏電試驗平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤礦井下低壓供電遠程集控漏電試驗平臺的構(gòu)成部件主要涉及4部分，具體如圖2所示。

SW-漏電試驗箱接地刀閘；R-漏電試驗箱接地電阻；K1-低壓饋電開關(guān)的電源開關(guān)；K2-電磁啟動器的電源開關(guān)；M-負載電機。

礦用隔爆型漏電保護試驗電阻箱一般位于電磁啟動器左側(cè)，供電電源也在附近。當?shù)蛪吼侂娞幱谡９ぷ鳡顟B(tài)時，漏電實驗箱獲得動力電源。另外，在漏電試驗箱內(nèi)配備相關(guān)超級電容，在交流失電情況下可延遲返回信號，向礦用隔爆型載波信號接收箱上報相關(guān)試驗信息，通過遠端發(fā)射箱便能夠?qū)Πl(fā)送器進行遙控完成相關(guān)操作。此外，漏電接地電阻的選擇必須與不同等級的井下低壓電壓相匹配，AC1 140 V通常對應(yīng)20 kΩ、10 W，AC660 V通常對應(yīng)11 kΩ、10 W，就地和遠程都可以完成對電阻的投切。

礦用隔爆型漏電保護試驗電阻箱的設(shè)計包括串口RS485、以太光纖等不同種類的通信方式，能夠結(jié)合現(xiàn)場不同狀況進行通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。該電阻箱載波接收模塊為AC/DC12 V～36 V的額定電壓，以及150 mA的額定電流。遙控發(fā)送器則為DC9V的額定電壓，以及15 mA的額定電流。

低壓饋電開關(guān)中配備了綜合保護器，能夠最大限度保障開關(guān)的安全性，并且可在必要時對是否切斷電源作出快速準確的響應(yīng)，防止因為短路等問題損傷設(shè)備設(shè)施。另外，載波信號接收箱等的作用是為遠程操作提供保障，即漏電保護。

煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為該平臺的運行奠定了技術(shù)層面的支撐，監(jiān)控計算機設(shè)置在地面監(jiān)控中心，其他設(shè)備如載波信號接收箱設(shè)置在井下，彼此之間的連接可通過煤礦工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)。

4.2 漏電試驗電阻箱設(shè)計

漏電試驗電阻箱必須嚴格按照《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》(MT209-1990)、《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用基本試驗方法》(MT/T210-1990)煤礦通信、《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》(GB3836-2010)防爆等相關(guān)要求來設(shè)計相應(yīng)的硬件和結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品所設(shè)計的安全標識必須與《礦用產(chǎn)品安全標志標識》(AQ1043-2007)的要求相符合，具備符合要求和規(guī)定的資質(zhì)，同時還應(yīng)當獲得煤礦安全標志(MA)認證，由此才能被應(yīng)用到井下試驗。

4.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

漏電試驗電阻箱主要有主板(CPU)、電源模塊、通信模塊等構(gòu)成，其工作原理和主要構(gòu)成如圖3所示。

圖3 漏電試驗電阻箱工作原理及主要構(gòu)成

(1)CPU的主要功能是液晶顯示、通信協(xié)議以及漏電試驗等。

(2)電源模塊通常都有超級電容的配備，主要功能是儲存饋電開關(guān)跳閘裝置失電后的信息；電源模塊會設(shè)置用以判斷上級漏電跳閘動作的交流電輸出節(jié)點，而該模塊的另一作用是將DC24V(直流電壓24V)輸送給通信模塊。

(3)通信模塊一般可以任意選擇RS485(一種串行通信接口標準)通信、以太光纖通信等不同的通信方式，接入方式則主要為RS485口或以太網(wǎng)口，通信方式則主要依靠無線WiFi。

(4)漏電試驗接地電阻電路中，20 kΩ適用于1 140 V線路，11 kΩ電阻適用于660 V線路，確保能夠使各種電壓等級試驗需要得到滿足，且確保線路始終處于10 W以下的功率；在開出CPU核心單元的基礎(chǔ)之上，按照電壓等級的不同通過遙控命令來對不同電阻進行投切，開出要確保AC1 140 V(交流電壓140 V)的電壓條件得到滿足。

(5)供電線路與變壓器之間通常都會設(shè)置電磁啟動器、分饋開關(guān)電源等，確保裝置能夠獲得源源不斷的動力電源，而在選擇漏電試驗接地電阻前，必須充分考慮不同的供電電壓，最大可能滿足用戶要求。

(6)基于已有的硬件設(shè)計，還應(yīng)合理布置變壓器T和各類插件，安裝與之相匹配的通信模塊。

4.2.2 軟件設(shè)計

借助遙控器便能夠遠程啟動漏電試驗功能。當啟動的信息傳遞給裝置后，在瓦斯閉鎖沒有接觸的前提下，結(jié)合電壓的實時參數(shù)可阻止漏電電阻的投切，但是一旦出現(xiàn)交流失電問題，就不再保持投入狀態(tài)，從而能夠?qū)⑾嚓P(guān)的試驗報告?zhèn)魉徒o監(jiān)控系統(tǒng)。在應(yīng)用漏電電阻后如果發(fā)生交流失電現(xiàn)象，則宣告試驗結(jié)束，否則，當返回時經(jīng)過延時定值t，試驗就不成功。邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 漏電試驗箱漏電試驗邏輯關(guān)系

監(jiān)控主機能直接通信到遠程漏電試驗箱，結(jié)合系統(tǒng)不同的接線方式可選擇配網(wǎng)104規(guī)約或MODBUS規(guī)約2種不同的通信規(guī)約。此外，保護器分別安裝在總饋和分饋開關(guān)上，電磁啟動器與漏電實驗箱之間則保持著更為密切的關(guān)聯(lián)。通常用S1、 S2表示遠程漏電試驗點，當啟動相關(guān)開關(guān)后，開始試驗的信息便會傳遞到遠程漏電試驗箱，試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)會存儲到監(jiān)控主機中。而其對電磁啟動器Q1信息的獲取則是借助系統(tǒng)運行的拓撲圖實現(xiàn)，漏電試驗報告最終得以生成。在此過程中，漏電保護跳閘的信息會傳送給監(jiān)控計算機，后者向保護器發(fā)出關(guān)閘的要求，饋電開關(guān)此時被打開，送電結(jié)束。監(jiān)控系統(tǒng)此時會形成相關(guān)報告。

5 遠程集控漏電試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計及現(xiàn)

場試驗結(jié)果

遠程集控漏電試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。該圖展示的是遠程集控漏電試驗平臺的重要構(gòu)成部件以及相應(yīng)的構(gòu)造流程，前置機將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給井下裝置，而后者也會將相關(guān)數(shù)據(jù)輸送給前者，數(shù)據(jù)在交互中被分析處理，最終存儲到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)圖則主要在人機界面進行繪制，然后再開展遠程漏電試驗，而在告警窗中則會顯示來自井下裝置的SOE(Sequence of event，指事件順序記錄，記錄故障發(fā)生的時間和事件的類型和報告)。當試驗結(jié)束后，用戶便能夠得到由遠程漏電試驗結(jié)果所生成的漏電試驗報告。

圖5 遠程集控漏電試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

監(jiān)控主機能夠直接通信給遠程漏電試驗電阻箱，按照系統(tǒng)不同的接線方式選擇規(guī)約。

井下漏電試驗監(jiān)控操作將指令傳送給監(jiān)控主機，試驗人員借助遙控器便能夠?qū)β╇姳Ｗo試驗電阻箱進行遠程控制。當信息傳送到電阻箱后，電阻箱便開始動作，試驗結(jié)果會反饋到監(jiān)控主機，由此得到最終的漏電試驗報告。監(jiān)控主機按照系統(tǒng)運行圖負責進行總饋開關(guān)、分饋開關(guān)等信息收集，在此基礎(chǔ)上得到最終的試驗報告。在漏電保護作用下會出現(xiàn)跳閘，監(jiān)控計算機在此時會要求保護器“保護復歸”，從而將閘口關(guān)閉，饋電開關(guān)與此同時被打開，送電過程到此結(jié)束。監(jiān)控系統(tǒng)此時便會形成相關(guān)的報告。

反之，如果相關(guān)信息沒有傳送到監(jiān)控計算機，或者總饋開關(guān)的相應(yīng)信息傳送到監(jiān)控計算機，此時漏電試驗綜合報告便會在監(jiān)控系統(tǒng)形成，這也意味著試驗失敗，此時監(jiān)控計算機會向用戶發(fā)送告警信息，以使后者能夠及時對保護器漏電定值作出相應(yīng)調(diào)整，對電纜和裝置接地線路進行檢查。

筆者研究團隊將構(gòu)建的遠程集控漏電試驗平臺2023年3月起在五陽煤礦進行了應(yīng)用，工作人員在地面便能夠完成井下試驗，而其中的實現(xiàn)媒介就是電力監(jiān)控系統(tǒng)。在漏電電阻箱控制試驗方面，投入相應(yīng)的試驗電阻后，低壓保護漏電器便發(fā)揮作用，并通過跳閘的方式完成保護動作，監(jiān)控計算機能得出相應(yīng)報告，遠程合閘的結(jié)果證明了漏電保護的價值作用，預(yù)設(shè)目的已經(jīng)實現(xiàn)，滿足了用戶使用需求。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)當前煤礦供電電氣系統(tǒng)存在的問題，依托現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)，以遠程漏電試驗為基礎(chǔ)，搭建了與之匹配的煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠程集控漏電試驗平臺。

(2)在該平臺進行漏電試驗的遠程操控時，集成了所有試驗電阻，被測線路啟動器閉合時，不用逐個閉合信號就能完成電路連接；在操作過程中僅靠遠程遙控器就能夠為試驗人員提供充分的安全保障。日常試驗在被測試線路的發(fā)射端進行，依靠1名專職電工便可完成，大幅降低了用人成本，避免了作業(yè)人員多次往返于負載系統(tǒng)和供電端，且事后還能追溯到整個操作過程；據(jù)此能夠更好地判斷系統(tǒng)的漏電故障，并及時進行檢修，煤礦每月的漏電試驗也完全可以據(jù)此實現(xiàn)。

(3)具體應(yīng)用表明，煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠程集控漏電試驗平臺可以最大程度地節(jié)約相關(guān)人力物力成本，停送電所導致的安全風險大幅降低，現(xiàn)實應(yīng)用價值較高。