矿井地面供电系统改造设计与应用*

范学刚

(山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205)

0 引 言

矿井供电系统工作的安全性和稳定性，不仅关系煤矿井下工作面能否可靠运行，还与井下工作人员的生命安全息息相关[1-3]。煤矿地面10 kV开关柜作为地面供电系统的一部分，连接着电网和煤矿供电系统，实时掌握煤矿地面10 kV开关柜的运行状况，实现在线监测与故障诊断，确保其安全稳定运行至关重要。纵观国内各大煤炭企业，普通存在的一个问题是地面供电系统使用年限较长，供电系统落后，现已不能够很好的满足煤矿地面安全生产的要求，存在明显的老化现象，大大降低了地面供电系统运行的可靠性，急需进行改进设计。供电系统运行可靠的关键部件是10 kV开关柜，需要确保其控制技术的先进性，才能保证矿井地面供电系统中的电能稳定可靠的输送至煤矿井下，支撑井下煤炭掘进设备的正常工作[4-6]。在线监测系统作为近年来发展起来的先进控制技术，广泛应用于各个领域，现已取得了很好的应用效果，得到了各界的广泛认可，尤其在服役环境极为苛刻场景中工作的系统监测，更加凸显出在线监测系统的重要性。因此，针对煤炭企业地面供电系统可靠性较低的现状，以其10 kV开关柜为研究对象，开展10 kV开关柜监控系统的设计工作，对于提高地面供电系统可靠性具有重要意义。

1 10 kV开关柜结构特点

10 kV开关柜整体结构涉及柜体和断路器两大部分，如图1所示。由图1可以看出，柜体包括母线室、断路器室、出线室和仪表控制室等，相较于传统的高压开关柜，煤矿用的开关柜服役环境较为恶劣，承担的保护责任更加巨大，因此，其典型的结构特点是紧凑。母线室内部主要是三相高压的母排，断路器室主要是各种断路器，空间有限，仅可容纳1部手车式真空断路器。出线室配置了出线母排和下井电缆接头，与此同时，还配置了电流互感器、电压互感器和接地装置等。仪表与控制室用于固定二次侧器件，涉及电能表、接线端子排、分合闸、储能等按钮。在安全净距得到保证的前提下，确保开关柜运行正常的情况下，在开关柜中设置监测传感器和测量装置，进行实时监测较为困难，这就要求对监测内容、传感器类型和布置位置的选择进行深思熟虑。

图1 10 kV开关柜结构

2 监测重点确定

相关研究文献表明[7-10]，仅仅完成断路器触头温度、真空度、机械特性等的在线监测不能完全监控开关柜的运行情况。为了进一步获得较为完善的开关柜监测数据，必须全面监测开关柜的电气、机械等运行状况，以此为开关柜运维人员提供可靠的参考数据。笔者结合10 kV开关柜的结构特点，对出线室、母线室、断路器室等的运行情况提出了相关的在线监测内容。出线室监测出线电缆的绝缘性能、母线室监测母排与隔离开关触头的温度、断路器室监测断路器的真空度、断路器的机械振动、分合闸速度、脱扣器老化程度和断路器动作事件次数等。

3 监测系统设计

3.1 总体结构

依据开关柜结构特点和需要监测的内容，完成了监测系统总体结构的设计，如图2所示。结构中涉及传感器层、监测单元层、通信总线层和上位机等。传感器层主要布置不同的传感器元件，包括温度传感器、真空度传感器、振动传感器等，实时采集开关柜中的运行状态参数；监测单元层主要负责实时采集信号的调理、数模转换和信号隔离等，经模拟量转换为数字量，便于监控系统的数据传输和存储；通信总线层采用的CAN总线技术，包括通讯模块、CAN总线、接口转换和CAN通信卡等，主要负责现场监测单元和上位机之间的数据传输，依据CAN总线通信协议，进行数据交换，实现开关柜的实时监测和远程控制的双向控制；上位机采用工控机，用于实时显示开关柜内部各个元器件的实时运行状态，以数值、波形图等形式显示于监测界面，同时，一旦出现参数异常，能够发出警告提示。

图2 监测系统总体结构

3.2 传感器选型

井下电缆绝缘监测选择HCS-LTH-100A霍尔电流传感器和HVS-EVS-150P4霍尔电压传感器分别对电流和电压信号进行测量和采集；母排与隔离开关触头温度监测选择IRTP20型智能红外传感器，其测温范围为-20～300 ℃；断路器真空度监测选择RS-301真空度监测装置检测断路器的真空度；断路器振动信号监测选择YD37压电式加速度传感器对振动信号进行采集，其频率测量范围为1～10 kHz，灵敏度为0.001 2 V/ms-2；分合闸速度监测选择WDD35D-4电阻式角位移传感器；脱扣器老化程度监测选择HCS-LTR-50A霍尔电流传感器；断路器动作事件记录选择WDD35D-4角位移传感器实现。

3.3 信号处理模块设计

监测系统信号处理模块用于接收来自各种传感器实时采集的状态信号，经过处理完成模拟量到数字量的转换，获得便于传输和存储的数字量信号。监控系统选择与CAN总线配套的iCAN3800作为信号处理器，可在5～1000 kbps的波特率条件下实现与CAN总线的通讯。iCAN3800模块工作时，自身的8路模拟量输入通道可以并行运行，独立进行信号处理任务，具备每秒轮询数据500次的能力，能够确保数据传输和通信的实时性和可靠性。iCAN3800信号处理模块的工作原理如图3所示。

图3 iCAN3800信号处理模块工作原理

3.4 总线通信系统设计

煤矿高压开关柜服役环境极为恶劣，在线监测系统设计难度较大，必须选择实时性好、信号传输稳定可靠、抗环境干扰能力强的通讯网络，方可将开关柜内部布置的传感器采集的数据信号及时传输至上位机进行实时显示。正因为CAN总线具有自身结构简单可靠，容错能力较强等优点，较为适合煤矿复杂的工作环境中。与此同时，CAN总线在变电站相关领域取得了很好的应用效果[11-12]，因此选择CAN总线技术构建开关柜监控系统。

在煤矿地面10 kV开关柜在线监测系统中，基于 CAN 总线的通讯网络设计如图4所示。

图4 总线通信系统

3.5 系统软件总体设计

根据高压开关柜在线监控系统功能设计需求，基于高压开关柜需要监控的状态参数，运用Lab VIEW编程软件完成监控系统软件设计工作。使用Lab VIEW进行系统软件总体设计时，整体结构选择不同线程交换数据的事件结构为主要框架，借助Lab VIEW软件中自带的Calling Library Functional Node函数接点调用VCI库函数，内层采取“循环查询”方法读取各类传感器采集的数据信息，外层对CAN总线接入的开关柜中各iCAN3800数据采集模块的轮询，达到多柜平行监测的目的。整个系统工作流程如图5所示。

3.6 人机交互界面

人机交互界面作为监控人员获取开关柜实时运行数据的重要窗口，主要由一个选项卡构件构成，其中的每个选项卡对应一个开关柜，监控人员可以切换不同的选项卡以便监测不同的开关柜。监控系统振动信号数据传输时为了降低外界的干扰，使用了降噪屏蔽电缆，设置的信号波特率数值为500 kbps的CAN总线传输，理论传输的最大距离近120 m，具备同时监控多达30个高压开关柜的能力，系统调试时同时监控8个开关柜进行实施例检测，监测主界面如图6所示。

图5 监控系统工作流程图

4 在线检测结果分析

为了验证开关柜在线监控系统设计的实用性，对运行过程中的监控系统进行在线检测，其中涉及母排与隔离开关触头温度、真空度、电缆绝缘、断路器机械特性、断路器动作事件等。母排与隔离开关触头温度在线检测结果如表1所列，可以看出温度监测结果很好，偏差在0.5%。真空度监测系统在线检测时，当断路器真空度出现降低时，系统会发出真空度降低报警提示。

图6 监控系统主界面

表1 系统采集温度与实测温度

电缆绝缘在线检测针对的电缆对地绝缘电阻，监测系统主要通过检测电缆的电压和电流计算得到绝缘电阻值，系统选择的是HVS-EVS霍尔电压传感器和HVS-LTH霍尔电流传感器，在线检测过程中采集得到的实测电压值与监测数值的统计结果由表2可以看出电压监测数值与实际电压数值的误差为0.9%。电流监测数值与实际电流数值统计结果由表3可以看出，电流监测数值与实际电流数值的偏差较小，均属于1%以内，足以满足井下电缆绝缘电阻监测的要求。

表2 实测电压值与监测数值的统计结果

经过多次的试验验证，监测系统中断路器机械性能动作实时显示结果同样很理想，断路器振动信号显示其分、合闸时的振动冲击波形，监测得到的断路器分合闸线圈电流与典型电流波形轮廓相吻合，监测得到的断路器触头分合闸行程时，经过多次重复采样得出波形具有很好的一致性，多次试验表明，监测系统对断路器的动作事件记录可靠性和准确率为100%。

表3 实测电流值与监测数值的统计结果

监测系统在某煤炭企业试运行过程中同样取得了很好的应用效果，相较于地面供电系统改造设计之前，降低了供电系统故障维修时间近10%，改善了地面供电系统可靠性较低的现状。

5 结 语

针对煤炭企业地面供电系统可靠性较低的现状，以10 kV开关柜为研究对象，设计了一套在线监测系统，检测结果显示，监测系统运行稳定可靠，成功改善了地面供电系统可靠性较低的现状。试验统计结果表明，母排与隔离开关触头温度监测结果精度为0.5%，真空度监测灵敏可靠，绝缘电阻监测精度在1%以内，满足矿井电缆绝缘电阻的监测要求；断路器机械性能监测结果理想，断路器动作事件记录准确。在某煤炭企业试运行过程中，降低了供电系统故障维修时间近10%，有效改善了供电系统的可靠性较低的问题。