煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台设计研究
时间：2024-03-11 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台设计研究
0 引言
在煤矿开采过程中，各生产系统都依赖供电系统获取动力。一般情况下，煤矿的供电系统有高压和低压之分，而在煤矿生产过程中，这2种不同的供电系统所扮演的角色也不尽相同。较之高压供电系统而言，作业者与低压供电系统接触的机会相对更多，因此潜在的作业风险更高，如果出现漏电，那么很可能会危及作业人员的生命安全。当前高度自动化已经成为煤矿发展的必然趋势，这必然会应用到更多的低压供电系统，在提高煤炭开采水平同时，还会对现场工人的人身安全产生重大影响。井工煤矿煤炭开采井下环境空气湿度较大，且空气中往往含有很多易燃易爆气体，作业环境比较复杂，虽然具备一些日常防范措施，但低压供电系统漏电问题还是时有发生。因此，低压供电系统的漏电保护对煤矿企业很重要。一般情况下，磨损的电缆绝缘以及出现故障的机电系统等都可能导致煤矿井下低压供电系统漏电。不仅如此，出现故障后的低压供电系统往往会伴随火花出现，一旦遇到明火，就有可能引起瓦斯爆炸事故。为了能够更加安全地供电，必须确保馈电保护器能够在出现漏电事故后能够及时、准确地动作，所以必须对馈电线路末端进行定期检查，并且其保护器要采用电阻接地的方式判断是否具有漏电保护。
通常情况下，必须要在馈电开关非工作时对电缆远端进行判断，确定是否出现漏电，同时还要打开电磁启动器防爆壳，判断电磁启动器防爆壳是否处于开放状态，然后检测接地电阻，等等。该操作程序需要大量井下工作人员共同完成，不仅步骤复杂还会导致测试人员安全风险的增加。为了使该问题得到妥善解决，笔者在深入分析煤矿井下低压漏电试验过程的基础上，基于当前煤矿电力监控系统构建了与之相匹配的远程漏电试验平台，由此能够确保所有漏电试验和合闸动作都可以通过远端完成，且只需要单人便可完成操作，不仅使操作流程更加优化和简便，同时还提高了操作效率，煤矿井下作业安全系数也大幅提升。
1 煤矿井下低压供电系统特征及漏电原因分析
1.1 煤矿井下低压供电系统特征
结合煤矿井下供电过程中所发现的问题，对煤矿低压供电系统进行了系统研究，发现了潜在的各种风险。
煤矿各个动力变压器的电源必须保持相对独立。而目前煤矿井下低压供电系统的供电方式一般需要多组独立小型供电系统来实现，并且大多数煤矿电压转换和稳定使用1台独立动力的变压器。当前，660 V或1 140 V是煤矿比较常见的2种电压，并且实际供电电压往往与所采用的采煤方法密切关联。比如，660 V的供电电压经常被设置在综合机械化的煤炭开采过程。而触电是低压供电系统作业中常见的安全风险，因此煤矿的电缆线路要尽可能避免集中分布，这种分布方式能够最大限度保证电容的分散性，从而最大限度减少触电事故的发生。此外，煤矿井下低压供电系统中所包含的器件较为复杂，稳定性也较差。因此，为了减少外界环境对煤矿电缆所造成的不利影响，避免造成安全隐患，必须确保供电网络及其器件安全稳定运行。煤矿井下低压供电系统示意如图所示。
DW—温度补偿的稳压二极管
图1 煤矿井下低压供电系统示意
1.2 煤矿井下低压供电系统漏电原因
对煤矿井下供电系统而言，漏电影响因素繁杂，在多重因素的影响下往往会出现以下漏电问题。
(1)作业温度过高。如果井下作业区温度过高，电气设备和电缆常常发生过载发热问题，进而大幅降低了绝缘性。
(2)作业环境潮湿。煤矿井下通常比较潮湿，这样的特殊环境会影响电气设备的正常健康运行，一旦设备进水，就会降低绝缘电阻。同时，如果平时没有及时维护保养电气设备和电缆，对其中产生的问题疏于管理，未能在第一时间消除电缆受潮和绝缘降低的问题，就可能导致非常严重的后果。此外，如果对电气设备违规使用，随意对设备进行改动、改造，会使相关的间隙值发生重大改变，外壳放电的风险也会随之增加，导致电气设备带病运行，无法保持高效工作。
(3)电气设备等绝缘失效。煤矿井下往往存在多种作业交叉进行的情况，且作业空间有限，在这种情况下，如果受到作业车辆的摩擦、剐蹭等，就可能致使电缆绝缘磨损，甚至漏电。除此之外，搬动电缆或小角度弯曲电缆都会损伤电缆芯线，使其接地功能失效，发生漏电安全事故。
(4)检修人员违规检修电气设备。现场经常存在检修人员检修不到位、项目不齐全等问题，这将导致电气设备的一些潜在问题不能及时发现并处置，由此也会导致漏电问题的产生。
2 煤矿井下低压供电系统漏电的危害
对处于运行状态的低压供电系统而言，漏电故障往往会带来以下较为严重的危害。
(1)大大增加作业人员的触电概率。井下空气湿度相对较大，这必然会导致作业人员身体电阻值的下降，一旦出现触电情况，很难轻易从中脱离，最终导致触电，危及生命安全。
(2)导致产生瓦斯爆炸等事故。在电气设备系统漏电的情况下，如果井下瓦斯浓度在5%～16%，将极易出现瓦斯爆炸事故。另外，出现电位差也是漏电回路节点的显著特点，这种情况下将导致电雷管发生爆炸。
(3)导致电气设备火灾事故发生。电气设备的绝缘会因为漏电而发热，进而发生短路，这是电气设备发生火灾的主要原因之一。另外，电气设备单相接地也会影响到电网电压，产生过电压后会伤及绝缘较差的设备。
(4)产生较大两相对地电压。单相接地是产生较大两相对地电压的主要原因。在这种情况下，其外部绝缘压力骤然增加，由此破坏绝缘性能，一旦出现漏电，就会大幅增加故障所带来的不利影响。
(5)增加瓦斯爆炸风险。当漏电故障出现后，井下各种作业会因为检修而被迫停止，只有彻底排除和解决漏电故障后才能恢复作业。部分通风机也会因为停电而无法正常工作，从而会导致掘进工作面迅速聚集大量瓦斯，增加了瓦斯爆炸的风险隐患。
3 煤矿井下低压供电远程集控漏电试验平台工作
技术原理及原则
应用现代信息技术并辅以智能控制技术的煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台的设计，具体涉及多种先进技术，比如远程通信技术、集成漏电检测技术等。构建该平台应遵循以下技术原理和原则。
(1)漏电检测技术。所使用的漏电检测装置灵敏度相对较高，对系统是否漏电可进行全方位监测。在对电信号进行差异检测的基础之上，就能够对漏电与否作出准确判断。
(2)数据采集与处理技术。通过传感器和数据采集系统可对供电系统的相关参数进行及时采集，得到关于电压、电流的数值后向中央控制系统进行传送，并在中央控制系统可对这些数据进行处理和分析，将其中的漏电信息筛选出来。
(3)远程通信技术。借助专用通信网络或互联网向远程监控中心传送供电系统漏电信息，这些信息可及时在远程监控中心平台上显示，由此可对漏电试验平台的操作进行远程控制，并对参数设置作出调整。
(4)漏电试验方法与流程。漏电试验方法的选择以及流程的设计必须完全符合煤矿井下低压供电系统的特点，由此可更加科学合理地设定试验参数、选择电阻接地方式等，从而得到较为准确的漏电试验结果。
为此，笔者构建了与之相匹配的煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台，以求在生产现场能够准确定位漏电问题，并能迅速找到问题根源，从而大幅提升供电系统的安全性和可靠性。
4 煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台
设计
4.1 远程集控漏电试验平台的结构设计
煤矿井下低压供电远程集控漏电试验平台的构成部件主要涉及4部分，具体如图2所示。
SW-漏电试验箱接地刀闸；R-漏电试验箱接地电阻；K1-低压馈电开关的电源开关；K2-电磁启动器的电源开关；M-负载电机。
图2 煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台系统
矿用隔爆型漏电保护试验电阻箱一般位于电磁启动器左侧，供电电源也在附近。当低压馈电处于正常工作状态时，漏电实验箱获得动力电源。另外，在漏电试验箱内配备相关超级电容，在交流失电情况下可延迟返回信号，向矿用隔爆型载波信号接收箱上报相关试验信息，通过远端发射箱便能够对发送器进行遥控完成相关操作。此外，漏电接地电阻的选择必须与不同等级的井下低压电压相匹配，AC1 140 V通常对应20 kΩ、10 W，AC660 V通常对应11 kΩ、10 W，就地和远程都可以完成对电阻的投切。
矿用隔爆型漏电保护试验电阻箱的设计包括串口RS485、以太光纤等不同种类的通信方式，能够结合现场不同状况进行通信网络的构建。该电阻箱载波接收模块为AC/DC12 V～36 V的额定电压，以及150 mA的额定电流。遥控发送器则为DC9V的额定电压，以及15 mA的额定电流。
低压馈电开关中配备了综合保护器，能够最大限度保障开关的安全性，并且可在必要时对是否切断电源作出快速准确的响应，防止因为短路等问题损伤设备设施。另外，载波信号接收箱等的作用是为远程操作提供保障，即漏电保护。
煤矿供电监控系统网络为该平台的运行奠定了技术层面的支撑，监控计算机设置在地面监控中心，其他设备如载波信号接收箱设置在井下，彼此之间的连接可通过煤矿工业以太网来实现。
4.2 漏电试验电阻箱设计
漏电试验电阻箱必须严格按照《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》(MT209-1990)、《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用基本试验方法》(MT/T210-1990)煤矿通信、《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》(GB3836-2010)防爆等相关要求来设计相应的硬件和结构，产品所设计的安全标识必须与《矿用产品安全标志标识》(AQ1043-2007)的要求相符合，具备符合要求和规定的资质，同时还应当获得煤矿安全标志(MA)认证，由此才能被应用到井下试验。
4.2.1 硬件系统设计
漏电试验电阻箱主要有主板(CPU)、电源模块、通信模块等构成，其工作原理和主要构成如图3所示。
图3 漏电试验电阻箱工作原理及主要构成
(1)CPU的主要功能是液晶显示、通信协议以及漏电试验等。
(2)电源模块通常都有超级电容的配备，主要功能是储存馈电开关跳闸装置失电后的信息；电源模块会设置用以判断上级漏电跳闸动作的交流电输出节点，而该模块的另一作用是将DC24V(直流电压24V)输送给通信模块。
(3)通信模块一般可以任意选择RS485(一种串行通信接口标准)通信、以太光纤通信等不同的通信方式，接入方式则主要为RS485口或以太网口，通信方式则主要依靠无线WiFi。
(4)漏电试验接地电阻电路中，20 kΩ适用于1 140 V线路，11 kΩ电阻适用于660 V线路，确保能够使各种电压等级试验需要得到满足，且确保线路始终处于10 W以下的功率；在开出CPU核心单元的基础之上，按照电压等级的不同通过遥控命令来对不同电阻进行投切，开出要确保AC1 140 V(交流电压140 V)的电压条件得到满足。
(5)供电线路与变压器之间通常都会设置电磁启动器、分馈开关电源等，确保装置能够获得源源不断的动力电源，而在选择漏电试验接地电阻前，必须充分考虑不同的供电电压，最大可能满足用户要求。
(6)基于已有的硬件设计，还应合理布置变压器T和各类插件，安装与之相匹配的通信模块。
4.2.2 软件设计
借助遥控器便能够远程启动漏电试验功能。当启动的信息传递给装置后，在瓦斯闭锁没有接触的前提下，结合电压的实时参数可阻止漏电电阻的投切，但是一旦出现交流失电问题，就不再保持投入状态，从而能够将相关的试验报告传送给监控系统。在应用漏电电阻后如果发生交流失电现象，则宣告试验结束，否则，当返回时经过延时定值t，试验就不成功。逻辑关系如图4所示。
图4 漏电试验箱漏电试验逻辑关系
监控主机能直接通信到远程漏电试验箱，结合系统不同的接线方式可选择配网104规约或MODBUS规约2种不同的通信规约。此外，保护器分别安装在总馈和分馈开关上，电磁启动器与漏电实验箱之间则保持着更为密切的关联。通常用S1、 S2表示远程漏电试验点，当启动相关开关后，开始试验的信息便会传递到远程漏电试验箱，试验的相关数据会存储到监控主机中。而其对电磁启动器Q1信息的获取则是借助系统运行的拓扑图实现，漏电试验报告最终得以生成。在此过程中，漏电保护跳闸的信息会传送给监控计算机，后者向保护器发出关闸的要求，馈电开关此时被打开，送电结束。监控系统此时会形成相关报告。
5 远程集控漏电试验平台监控系统软件设计及现
场试验结果
远程集控漏电试验平台监控系统软件结构框架如图5所示。该图展示的是远程集控漏电试验平台的重要构成部件以及相应的构造流程，前置机将相关数据传输给井下装置，而后者也会将相关数据输送给前者，数据在交互中被分析处理，最终存储到数据库中。系统图则主要在人机界面进行绘制，然后再开展远程漏电试验，而在告警窗中则会显示来自井下装置的SOE(Sequence of event，指事件顺序记录，记录故障发生的时间和事件的类型和报告)。当试验结束后，用户便能够得到由远程漏电试验结果所生成的漏电试验报告。
图5 远程集控漏电试验平台监控系统软件结构框架
监控主机能够直接通信给远程漏电试验电阻箱，按照系统不同的接线方式选择规约。
井下漏电试验监控操作将指令传送给监控主机，试验人员借助遥控器便能够对漏电保护试验电阻箱进行远程控制。当信息传送到电阻箱后，电阻箱便开始动作，试验结果会反馈到监控主机，由此得到最终的漏电试验报告。监控主机按照系统运行图负责进行总馈开关、分馈开关等信息收集，在此基础上得到最终的试验报告。在漏电保护作用下会出现跳闸，监控计算机在此时会要求保护器“保护复归”，从而将闸口关闭，馈电开关与此同时被打开，送电过程到此结束。监控系统此时便会形成相关的报告。
反之，如果相关信息没有传送到监控计算机，或者总馈开关的相应信息传送到监控计算机，此时漏电试验综合报告便会在监控系统形成，这也意味着试验失败，此时监控计算机会向用户发送告警信息，以使后者能够及时对保护器漏电定值作出相应调整，对电缆和装置接地线路进行检查。
笔者研究团队将构建的远程集控漏电试验平台2023年3月起在五阳煤矿进行了应用，工作人员在地面便能够完成井下试验，而其中的实现媒介就是电力监控系统。在漏电电阻箱控制试验方面，投入相应的试验电阻后，低压保护漏电器便发挥作用，并通过跳闸的方式完成保护动作，监控计算机能得出相应报告，远程合闸的结果证明了漏电保护的价值作用，预设目的已经实现，满足了用户使用需求。
6 结论
(1)根据当前煤矿供电电气系统存在的问题，依托现有监控系统，以远程漏电试验为基础，搭建了与之匹配的煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台。
(2)在该平台进行漏电试验的远程操控时，集成了所有试验电阻，被测线路启动器闭合时，不用逐个闭合信号就能完成电路连接；在操作过程中仅靠远程遥控器就能够为试验人员提供充分的安全保障。日常试验在被测试线路的发射端进行，依靠1名专职电工便可完成，大幅降低了用人成本，避免了作业人员多次往返于负载系统和供电端，且事后还能追溯到整个操作过程；据此能够更好地判断系统的漏电故障，并及时进行检修，煤矿每月的漏电试验也完全可以据此实现。
(3)具体应用表明，煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台可以最大程度地节约相关人力物力成本，停送电所导致的安全风险大幅降低，现实应用价值较高。
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CUI Zhiming. Design and research of remote control leakage test platform for underground low voltage power supply system in coal mine[J].China Coal，2024，50(1)：101-107.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.01.015
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