煤矿井下故障定位系统设计与应用

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摘要：对于高压开关柜闪弧故障的监测保护，已得到业内的重视，但对于煤矿井下低压开关的故障监测定位，目前仍是空白点。由于特殊的运行环境和隔爆外壳，井下低压开关闪弧故障概率更高，文章提出了适用于煤矿井下低压开关闪弧故障的监测定位系统，实现了故障后的定位告警和环境监测，方便故障检修和快速复电。

关键词：弧光监测；防爆开关；故障定位；LoRa通信

煤炭在我国的能源结构中占比60%以上，这一现状短期内不容易改变，随着国家《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的推出，更加凸显煤矿供电及通信系统在煤矿井下生产过程中的重要性。防爆开关是井下供电的关键设备之一，最为重要的供电节点开关柜一旦发生故障，轻则停电影响生产，重则停止通风、抽排，导致瓦斯浓度升高影响安全。目前井下防爆开关众多，一般分为10kV的高压开关和127/660/1140V的低压开关，相对来说高压防爆开关影响范围更大，受到的关注更多，智能化水平也相对高，对其故障监测手段较为完善，但井下数量更多的是低压防爆开关，而低压开关种类多、厂家杂、体积小，内部接线多不规整，自动化水平较低，一旦发生故障，不易查找，虽停电范围不大，但关键设备的失电也会产生不可预料的重大隐患，因此有必要在井下低压开关中安装智能的故障定位系统，实现故障的快速查找，方便检修更换，减少非计划停电时间。[1-2]

1弧光检测原理

1.1开关柜闪弧机理及危害

弧光是指电气设备发出弧状白光同时伴随产生高温的气体放电。无论在绝缘气体、金属蒸气或空气中，当开关的供电系统足够强，能提供足够大的电流（几安到几十安）时，使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种自持放电的形式就是弧光放电。电弧光的危害包括：生产安全事故———人员死伤重大事件；爆炸燃烧导致设备的报废形成财产损失；有毒气体造成环境污染，伤害呼吸系统。[3-4]

1.2弧光传感器类型

随着电力系统弧光保护装置国家标准和行业标准的推出，弧光检测传感器得到了极大的发展，目前继电保护装置采用的弧光传感器按传输模式分为光纤式和电缆式两种，按照检测波长分为可见光检测和紫外光检测两种。如南京弘毅电气自动化有限公司生产的DPR-FAS-D1弧光传感器是光纤式紫外传感器，以纯光学手段检测弧光信号中的紫外成分，传感器与继电保护装置之间采用塑料光纤连接，在防止电磁信号的干扰和避免电气绝缘间距减少方面具有先天优势。[5]

1.3防爆开关闪弧特点

井下开关柜由于安全需要均采用防爆外壳，外表庞大内部空间狭小，而井下低压开关运行的位置一般在巷道末端，环境潮湿，灰尘较大，再加上开关柜内接线不规整，极易产生闪弧现象。与地面供电系统相比，井下开关闪弧有着自己的特点：（1）井下供电线路均采用电缆，对地电容较大，传输容量有限，开关柜内局部的放电不一定能引起开关继电保护的动作，闪弧带来的损伤不能被及时发现。（2）井下供电系统由于漏电故障频发，为避免大的漏电电流均采用不接地输电，单相接地时故障电流较小，发生单相的弧光故障时，短路能量不大，虽然会对开关柜造成损害，但不够灵敏的保护装置又不能发现。因此对井下防爆开关进行闪弧监测非常有必要。

2系统组成及工作原理

针对当前井下防爆开关闪弧故障无法检测的现状，在充分调研低压防爆开关结构原理、技术水平、运行现状的基础上，本文提出了煤矿井下低压开关闪弧故障定位系统的设计方案，本系统结构框图如图1所示。系统由弧光传感器、数据采集器、通信服务器和监控后台组成。弧光传感器采用电缆式紫外检测原理，由于低压开关柜内空间狭小，不利于需要较大弯曲半径的光纤布线，且低压开关对绝缘距离要求较低，因此低压开关的弧光传感器采用电缆传输；数据采集器安装于低压开关柜内，可连接多个弧光传感器，当传感器检测到柜内闪弧时，采集器的本地指示灯将会闪烁指示，提醒运维人员注意，同时通过无线信号将信息传送至通信服务器；通信服务器用于收集本区域所有开关柜内的数据采集器无线信息，将弧光故障信息转发至4G网络或井下工业环网；监控后台一般安装于地面监控中心，从工业环网或4G网络中提取井下通信服务器转发的弧光故障信息，实时通知给调度监管人员。[6]当前煤矿井下基本实现了光纤环网的全覆盖和4G无线网络的部分覆盖，对于井下变电站内的防爆开关柜闪弧监测，通信服务器可通过工业环网进行数据上传；对于巷道末端的通信服务器可通过4G网络与地面相连。在地面数据监控中心，监控系统可实时查看各井下防爆开关柜的闪弧情况、历史数据；当某开关发生闪弧故障时，监控系统可通过声光、弹窗等多种方式告警，提醒运行人员注意，同时在整矿的地理结构图上显示故障开关柜的地理位置，方便维修更换。

3系统软硬件设计

3.1弧光传感器

弧光传感器的关键器件为光敏器件，负责将特定波长的光信号转换为电信号，本项目的弧光传感器采用VISHAY公司的VEML6075光学传感器，可检测UV-A(400-315nm)、UV-B(315-280nm)的紫外光，UV-A检测灵敏度为0.93μW/cm2，UV-B检测灵敏度为2.1μW/cm2，同时具备数字接口，可直接从传感器获取监测到的光功率值。弧光的频谱特性显示弧光中成分较为复杂，覆盖紫外波段到红外波段，为避免自然光和井下红外遥控器的干扰，选择紫外光的检测更为合适。

3.2数据采集器

数据采集器可通过弧光传感器监测开关柜内的弧光信号，通过温湿度传感器监测柜内环境温湿度。装置具有简单的人机接口界面，可实时显示监测信息，同时将监测数据通过无线LoRa通信转发至通信服务器。数据采集器采用TI公司的MSP430单片机作为主控制器，通过IIC接口连接弧光传感器，通过SPI接口连接温湿度传感器，传感器电源由采集器提供。（见图3）数据采集器安装于井下防爆开关内，通过无线传输信号，无需将信号线接至防爆壳体外，不破坏现有设备的安全性。装置从防爆柜内变压器上获取电源，同时采用超级电容储能，在防爆开关柜故障后能继续监测和收发信息，确保开关故障后信息不丢失，同时持续点亮现场告警指示灯，方便查找故障。

3.3通信服务器

通信服务器主要用来收集转发采集器采集到的弧光 及温湿度数据，亦可用于连接站内其他设备的无线LoRa信息，回传通道可借用站内工业以太网环网或者当前主流的4G网络，通信服务器主控制器采用ST公司的Cortex-M实现。通过无线LoRa接口，在井下变电站等开关柜集中的地方安装一台通信服务器可收集站内所有采集器的信息，通信服务器具备本地显示功能，可通过液晶显示本地采集数据和无线信号强度，方便站内巡视。

3.4监控软件

监控软件主要用来显示井下各传感器采集的弧光和温湿度信息，当井下防爆开关发生闪弧故障或温湿度异常时，监控系统通过弹出式告警提醒运维人员，实现故障定位告警功能。为适应当前煤矿大数据平台和智能矿山的建设需要，监控软件亦可提供标准数据接口，与其他系统相连，进行数据的转发，方便实现系统间的联动，例如当某开关发生闪弧故障时，可与视频监控系统联动，在监控中心大屏上显示该开关的视频图像；与广播系统联动，向开关现场播放语音，提醒现场人员注意；与供电系统联动，实现负荷切换，通过备用线路实现供电。

3.5设备安装

弧光传感器是光敏器件，用于检测故障电弧的光信号，因此安装时尽量正对故障易发点，采用磁吸式安装，方便调整对光角度，现场安装时一般将传感器镜头对准防爆开关柜内的开关触头；数据采集器安装于防爆开关内，采用螺栓固定，采集器的天线需固定于开关的防爆窗口，便于无线信号穿透玻璃窗。由于井下巷道墙壁对无线信号的吸收作用极强，无线信号在煤矿井下传输距离大打折扣，因此通信服务器一般安装于井下变电站中部，便于接收站内所有开关柜的无线信号，同时需将接收天线远离墙壁，尽量抬高，经过实测通信服务器与数据采集器之间的最远通信距离在井下可达300m，远远超过井下变电站的空间长度。

4系统应用

陕西长武亭南煤业有限责任公司属于高瓦斯矿井，供电系统的稳定可靠尤为重要，针对当前地面变电站母线无主保护、井下低压防爆开关通信不畅的现状，公司地面变电站采用了南京弘毅电气的DPR361ARC弧光保护系统，井下低压开关采用DPM341ARC闪弧故障定位系统，地面数据中心搭建了综合自动化监控中心，接入继电保护监控系统和闪弧故障定位监控软件，实现了地面井下所有开关柜的闪弧故障监测和保护功能。当开关柜内发生短路、接地等电气故障时，保护及监控系统能够及时发现故障并切除故障，并告知调度运行人员，便于快速修复，提高了供电系统的可靠性，实现了开关柜监测的智能化。[7]自该系统投入运行以来，监控中心通过该系统实现了电气设备的远程控制，电气参数实时监测，虽暂未发生闪弧故障，但该系统为运行检修人员提供了更好的安全保障。

5结束语

煤矿井下低压开关闪弧监测系统针对井下供电系统监测的空白点，将光学手段和电子信息技术、无线通信技术相结合，实现了开关故障的远程监测、环境预警和故障定位，缩短了运维检修时间，提高了井下供电的安全性。井下开关闪弧故障定位系统同时能够与其他相关系统实现数据联动，牵一发而动全身，针对单一故障而全系统共同行动，减少事故损失。

参考文献：

[1]徐杰.井下供电监控系统设计分析[J].能源与节能，2018（11）：122-123.

[2]赵建和.矿用高压防爆开关数字综合保护器设计[J].自动化应用，2019（6）：42-44.

[3]王德志，张爱萍.电弧光保护在应用实践中的改进[J].电力系统保护与控制，2009（24）：230-231．

[4]李从飞，陈凡，等.DPR360ARC弧光保护系统设计[J].电力系统保护与控制，2010，38（12）：125-128.

[5]王鹏，冯光，等.10kV配电网的接地故障测试述评及真型实验场设计[J].电力系统保护与控制，2020，48（11）：178-187．

[6]陈新美，魏超，等.电弧光保护原理分析及其校验测试设备的研发应用[J].电力系统保护与控制，2019，47（14）：160-165．

[7]王童飞.低压防爆开关综合试验系统设计[J].山西冶金，2018，41（6）：67-69.

作者：王德岩 岳兴辉 单位：陕西长武亭南煤业有限责任公司