矿用高压柜隔离开关触头温度检测系统研究

平鹏伟

（潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治 046102）

0 引言

在矿井下，高压开关柜占据着极其关键的地位，不仅对各个设备的运行有着直接的关系，而且对各个运行环节有着一定的影响。但是，由于矿山在不断的发展中，井下所需的电力设备也应当持续增加，其供电体系的运行极有可能为超临界状态。若运行负荷过高或者超出标准时，不仅对高压电缆造成了极大的破坏，而且也极大地威胁到高压柜中隔离开关的运行，进而导致触头的温度不断上升，严重的会达到表皮的燃烧界点，诱发火灾。因此，针对该部位的温度，应当研发一个有效的监测体系，对其实施严格的监测，其温度一旦与预警值相接近，应当立刻采取措施，防止因火灾的发生而造成一定的破坏。

1 系统设计的目标

选择煤矿进行研究，根据高压柜所处的环境及应当实现的功能，将相应的触头温度系统所需实现的程度进行归纳：

（1）传感器在监测到触头温度时，将其转变为电信号直接传输到上位机，应当确保测量具备即时性；

（2）信号的传输应当具备稳定性，其他的设备不会对其产生干扰，应当确保信号在覆盖区域内的传输具备真实性；

（3）检测系统应当保持较长的工作时间，因此需要保持独立的供电系统。如果将相应的供电网介入其中之后，一旦温度超出了阀值之前的瞬间短路，将不能对风险进行有效的规避[1]。

2 设计方案的选取

该方案应当涵盖3部分的内容，分别为温度的检测、电力的供给及信号的传输。

2.1 温度的检测模式

根据检测仪器是否与检测部位相接触来对温度检测进行划分，其主要有两种：

（1）接触式检测。利用温感设备将温度的改变来转变为电信号，对触头的温度进行检测。该方法所具备的优势在于具备较高的敏锐度，即便温度所发生的变化极其微小，也可以产生反应，同时应用该设备不需要较高的成本，而且因其自身就处于电网循环之中，不需要额外的电力供应[2]。

（2）非接触式检测。指的是利用光纤及红外两种检测方式，其检测效果较为精确，误差较小，但是光纤检测器的价格较高，不具备适用性。与该检测器相比，红外检测器的成本较低，但是该仪器的不足就是无法对小型的设备进行测量，而触头恰巧属于这类部件，因此无法使用。与上述分析相结合，运用第一种方法来检测触头的温度，即使用相应的温感设备来对其进行检测。

2.2 电力的供给模式

借鉴国内外井下电气系统的管理经验，参考这些方式来为温度检测系统提供电力，根据其是否需要进行外部传输可以将其分为两类。

（1）自给式，指的是通过设备上的电池来供电。这种形式又可以分为两种，一种是只安装容量较大的电池，其优点主要为不需要额外添加线路，缺点在于需要按时更替电池，检修较为困难；另一种是通过安装太阳能等设备，依靠高压开关所在的环境来供电，以供系统使用，其缺点也较为明显，即过于依赖环境，一旦环境中无光无风，将不再有电力的供应[3]。

（2）传输式，指的是将检测体系之内的供电与现存的电网相连接。其存在的优点主要为便捷，缺点就是在产生故障之后无法实现预期的检测效果。

对矿井下环境及经济等各个因素进行有效分析，将电池作为提供电能的模式，确保发生故障时也可以具备较高的检测精度。

2.3 信号传输的方式

借鉴矿井下通讯信号的传输方式，对温度进行检测的系统主要存在4种信号传输。

（1）光纤传输。它所具有的优势为高宽带，具有可靠的传输质量及速度；不足之处就是铺设光纤会耗费较大的钱力物力，难以接受成本，因此对该方式不加以考虑。

（2）电力线载波。指的是PLC通信。将信息的传输依靠于电网中，利用电流所具有的信息来完成数据的传输。该方法具备较大的便捷性，但是在电网中，电流具有相应的转换效果，极大影响着信号的传输，导致其传输的质量无法得到保障[4]。温度体系所传输的信号不具备较大的强度，极易受到干扰，因此该方式也不加考虑。

（3）公用无线通讯网。它具有较高的成本，每年都需要支出一定的服务费用，对于矿山企业而言，这并不实惠，因此该方法也可以排除。

（4）无线射频技术。ZigBee作为一种无线传感网络通信协议，其消耗的功率及经济都处于可接受的范围之内，适用于矿井下的信号传输，因此该方法具有较强的可行性。

3 系统设计

3.1 系统的组成

选择矿井进行研究，对矿井35 kV的高压柜隔离开关触头所具有的温度加以检测，在该部位安装相应的传感器，对温度变化加以转换，使其成为电流强度的改变，利用无线射频技术来传输相应的信息，判断该温度是否达到警戒点，若达到或超出预警值，其报警装置将会做出反应，避免因触头的温度过高而产生危险圈，系统的结构图如图1所示。

图1 矿用高压柜隔离开关触头温度系统结构示意图

当电脑接收到信息之后，电脑可以及时地显示出信息，以确保相关人员可以精确掌握到触头的温度，同时，相关部门应当对信息进行一系列的处理[5]，例如设定时间段及周期性的数据比较，为维修提供可靠的依据，软件功能的结构如图2所示。

图2 矿用高压柜颗粒开关触头温度系统软件功能示意图

3.2 数据的处理

电脑在收集到各种数据之后，应当进行分类处理，以助于日后的分析与查询，其功能主要有以下几点。

3.2.1 预警的功能

在对数据进行处理的过程中，其核心环节就是预警，当温度与临界点相接近的时候，警报将会启动，若条件达到标准，应当再安装一个连锁装置，将高温线路加以切换，促使其成为备用线路，在经过一段时间之后再进行使用[6]。

3.2.2 信息储存的功能

除预警之外，信息储存也发挥着极其关键的作用。在获取有效的信息之后，可以将其进行保存，其保存的时间间隔为10 s，可以取得某个时间段内时间与温度所具有的关系，促使其对高压开关的相关信息进行有效的分析，同时，在发出报警之后，其信息将会被储存，从而使生产具备较强的安全性[7]。

4 试验验证

对于硬件单元，其主要对传感器、信号传输及信息储存功能所具备的可靠性进行验证。

4.1 传感器的可靠度检验

处于同一温度下，应当对矿井内的实际环境加以考虑，将-10～70℃之间定为温度区，其监测的周期为10℃，对传感器及温度计两个仪器的数据加以检测，如表1所示。

表1 测试数据

根据结果可知，传感器与温度计两个仪器所检测的温度并不存在明显的误差，其精确度较高，与现场的要求相吻合，可以加以应用。

4.2 信号传输的可靠度检测

在空荡的房间中，选择10 m作为步长来移动发射的源头，其结果显示，处于无障碍的状况下，信号传输的距离可达到100 m。对矿井下的环境进行模拟，运用石板来覆盖其表面，根据结果可知，在覆盖完全的状况下，信号的传输应当为5 m。由此可知，信号的传输与矿井的实际需求相吻合。

4.3 数据存储的检测

导出电脑收集到的数据，并将其打印出来，其时间间隔为30 mm，对下一个0.5 h的温度进行预测，其结果显示，在温度的危险区域内，基于温度升高的趋势，将其达到临界点的时间加以预测。同时，将20天作为1个周期，在5个周期以内，数据都可以取得较好的保存，其数据保存的有效性与矿井的实际需求相吻合[8]。

5 结束语

与井下的环境相结合，得到温度系统所应达到的理论程度，基于现有的技术状况，选取温度感知元件、电池及无线射频技术分别作为温度检测、电力供给及信息传输的方式。基于此来设计出一套最佳的温度系统，经过反复验证，信息传输、温度检测及数据保存都具备较高的精确性，与井下的需求相适应，表明该系统的设计较为合理，极大确保了矿山生产的安全性。