田旭東，董 軍，閔祥晟

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100）

1 概述

興隆莊煤礦作為兗礦集團(tuán)重點(diǎn)礦井之一，是中國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的第一座設(shè)計(jì)年產(chǎn)量300萬(wàn)t的大型礦井。井下中央變電所作為生產(chǎn)供電的關(guān)鍵樞紐，是井下正常生產(chǎn)關(guān)鍵保障，但變電所設(shè)備老化、故障率高、自動(dòng)化程度低，變電所日常巡檢維護(hù)占用大量人力物力，給煤礦正常安全生產(chǎn)帶來(lái)不利因素。

為貫徹落實(shí)山東省加快新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程，加快實(shí)施自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)，根據(jù)兗礦集團(tuán)“三化”融合發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)，興隆莊煤礦提出建設(shè)井下智能化中央變電所的技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目。

智能化變電所的研發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目是將整個(gè)變電所的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)、故障分析、設(shè)備健康狀態(tài)診斷、電能計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析以及停送電操作均可實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，提高變電所運(yùn)行的可靠性和管理的高效性，真正實(shí)現(xiàn)變電所的無(wú)人值守，對(duì)建設(shè)智能、高效、節(jié)能的現(xiàn)代化礦井具有重要的意義。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

智能化開(kāi)關(guān)柜：開(kāi)關(guān)柜的智能化設(shè)計(jì)，增加無(wú)線測(cè)溫、弧光保護(hù)、斷路器合分閘電氣參數(shù)檢測(cè)、斷路器機(jī)械特性參數(shù)檢測(cè)等成套傳感器，增加斷路器手車及接地刀電動(dòng)操作功能。

智能化巡檢：采用溫控監(jiān)測(cè)、煙霧探測(cè)、紅外成像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)變電所智能化巡檢，可長(zhǎng)距離移動(dòng)式視頻信號(hào)采集、智能追蹤、報(bào)警、對(duì)講、按指定路線巡回監(jiān)控指定對(duì)象。

智能化管理：開(kāi)發(fā)全生命周期管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況，可提供元件壽命預(yù)測(cè)、故障診斷分析、電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等供電系統(tǒng)的全生命周期管理服務(wù)。

3 研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

3.1 智能型高壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)

智能型高壓開(kāi)關(guān)柜采用全電動(dòng)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程搖進(jìn)搖出、斷路器的遠(yuǎn)程合分、地刀的遠(yuǎn)程合分等功能。具備無(wú)線測(cè)溫、弧光保護(hù)、電量參數(shù)采集、斷路器機(jī)械特性檢測(cè)等功能。

全電動(dòng)操作：接地刀的遠(yuǎn)程電動(dòng)合分、斷路器手車的遠(yuǎn)程搖進(jìn)搖出、斷路器的遠(yuǎn)程合分。

合分閘線圈的保護(hù)：通過(guò)電流、電壓傳感器，采集合分閘線圈電壓、電流信號(hào)，對(duì)異常狀況進(jìn)行保護(hù)。

輔助電機(jī)保護(hù)：監(jiān)測(cè)斷路器儲(chǔ)能電機(jī)、電動(dòng)底盤車電機(jī)、電動(dòng)地刀動(dòng)作電機(jī)的回路電流，記錄電機(jī)運(yùn)行的電流及運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)電機(jī)工作異常時(shí)，報(bào)警并選擇性切斷電機(jī)工作回路。

機(jī)械特性診斷：通過(guò)角位移傳感器采集斷路器動(dòng)作的行程曲線，分析斷路器的合分閘速度和觸頭開(kāi)距，發(fā)現(xiàn)斷路器存在的潛在問(wèn)題。通過(guò)彈簧拉力傳感器采集斷路器彈簧拉力的大小，據(jù)此推斷設(shè)備使用壽命。

內(nèi)部重要部位可視化：安裝柜內(nèi)攝像頭，監(jiān)視斷路器觸頭進(jìn)出、地刀合分到位狀況，有效避免誤操作，預(yù)防事故發(fā)生。通過(guò)柜內(nèi)攝像頭監(jiān)測(cè)，對(duì)柜內(nèi)弧光現(xiàn)象進(jìn)行快速判斷，最快動(dòng)作時(shí)間2.89ms，可提醒操作人員切除故障。

智能診斷系統(tǒng)與保護(hù)控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，增加以上功能并不影響開(kāi)關(guān)柜固有的保護(hù)控制性能。

3.2 主要元件功能

3.2.1 輔助電控系統(tǒng)

輔助電控系統(tǒng)包含電動(dòng)地刀控制和電動(dòng)底盤車控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制和保護(hù)，具有就地和遠(yuǎn)方兩種操作模式。控制器可在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)受阻（如安裝不到位或機(jī)構(gòu)卡死）達(dá)到保護(hù)條件時(shí)立即對(duì)電機(jī)制動(dòng)，并逆向驅(qū)動(dòng)電機(jī)解除悶車卡死狀態(tài)，保護(hù)電機(jī)安全。

3.2.2 無(wú)線測(cè)溫技術(shù)

基于SAW（聲表面波）技術(shù)，采用無(wú)源無(wú)線的測(cè)溫方式，有效的解決了傳統(tǒng)測(cè)溫紅外、光纖及有源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等方面存在的問(wèn)題。傳感器無(wú)線無(wú)源，安裝于斷路器觸臂表面時(shí)，不與帶電體存在任何電氣關(guān)聯(lián)，不破壞斷路器原有結(jié)構(gòu)，對(duì)斷路器絕緣性能、開(kāi)斷能力等不產(chǎn)生任何影響。根據(jù)需要或關(guān)鍵位置點(diǎn)安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)將關(guān)鍵點(diǎn)的溫度傳輸傳至在線監(jiān)測(cè)后臺(tái)系統(tǒng)，根據(jù)溫度變化波形，預(yù)判可能發(fā)生故障的位置，提醒運(yùn)維人員及時(shí)處理。

3.2.3 弧光保護(hù)系統(tǒng)

在柜內(nèi)安裝壓力及光纖傳感器作為電弧光的探測(cè)單元。電弧光現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光輻射，弧光傳感器能夠探測(cè)到這種光輻射，會(huì)立即發(fā)出動(dòng)作信號(hào)給斷路器?；」獗Ｗo(hù)系統(tǒng)能快速切除故障，有效降低電弧光的危害，為設(shè)備和運(yùn)行人員的安全提供可靠保護(hù)，最快動(dòng)作出口僅2.89ms。

3.2.4 柜內(nèi)視頻監(jiān)控

智能型高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器室、電纜室內(nèi)放置有微型攝像頭，可在后臺(tái)顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)查看斷路器進(jìn)出、地刀合分狀況。

3.2.5 開(kāi)關(guān)柜核心部件-智能斷路器

智能斷路器集成各種參數(shù)傳感器，在線監(jiān)測(cè)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器運(yùn)行參數(shù)與健康狀態(tài)，增加的傳感器不影響斷路器固有機(jī)械特性。

3.3 智能型低壓配電開(kāi)關(guān)柜

以智能型低壓斷路器為核心元件，集控后臺(tái)以通訊的形式向斷路器智能模塊發(fā)出動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的“遙合”、“遙分”、“遙調(diào)”、“遙測(cè)”。

開(kāi)關(guān)柜具備電壓、電流等電量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；故障信息的分析、記錄；通過(guò)檢測(cè)斷路器觸頭磨損情況分析斷路器的使用壽命及健康狀態(tài)。

具備絕緣監(jiān)視功能，主檢、分檢配合使用，主檢作為監(jiān)視主導(dǎo)和后備保護(hù)，即可保證絕緣泄露時(shí)的動(dòng)作可靠性，又可避免保護(hù)誤動(dòng)作。

3.4 智能巡檢系統(tǒng)

采用變電所頂部吊裝方式，環(huán)配電柜敷設(shè)巡檢攝像頭軌道。智能巡檢攝像頭采用無(wú)纜接線方式，軌道攝像頭采用安全蓄電池供電。配合智能巡檢監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全變電所智能巡檢，并可將影音數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)后臺(tái)處理分析。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)攝像頭

智能巡檢系統(tǒng)具備以下功能及特點(diǎn)：

1）可掛載音視頻采集設(shè)備、影音播放設(shè)備、溫控檢測(cè)設(shè)備、紅外成像設(shè)備。

2）有長(zhǎng)距離移動(dòng)式視頻信號(hào)采集功能。

3）重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象地理位置記憶功能。

4）自動(dòng)智能巡檢監(jiān)控對(duì)象。

5）智能追蹤、報(bào)警、對(duì)講、變速、規(guī)避障礙等。

6）誤差精度不超過(guò)5mm。

7）可滿足直線、環(huán)形、曲線、升降位置的需求。

8）可實(shí)現(xiàn)無(wú)電纜供電、信號(hào)的無(wú)線傳輸功能。

9）0～600s內(nèi)按指定路線巡回監(jiān)控指定對(duì)象。

10）視頻智能識(shí)別，對(duì)監(jiān)控區(qū)域的異常行為發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并傳輸至后臺(tái)集控室，實(shí)現(xiàn)變電所的無(wú)人值守。

11）具備視頻存儲(chǔ)回放功能，巡檢資料可存儲(chǔ)一個(gè)月。

12）配有可燃?xì)怏w、煙霧傳感器，為消防系統(tǒng)提供警報(bào)信息。

3.5 安全生命周期管理系統(tǒng)

安全生命周期管理系統(tǒng)作為智能化變電站的核心內(nèi)容，具備以下功能：實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，反映高壓開(kāi)關(guān)健康狀態(tài)，為變電所安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的技術(shù)支撐。能夠分析開(kāi)關(guān)設(shè)備的動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作特性、儲(chǔ)能時(shí)間、分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、底盤車電機(jī)電流等數(shù)據(jù)，針對(duì)不同故障模式研究其失效機(jī)理，確定失效判定指標(biāo)，分別開(kāi)展基于現(xiàn)有狀態(tài)評(píng)估的時(shí)效定量分析技術(shù)研究，并針對(duì)不同的失效機(jī)理建立失效物理模型。對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷的用電量采集、匯總、分析，繪制出電能計(jì)量曲線、用電量的日度、周度、月度報(bào)表。為用戶的生產(chǎn)管理、內(nèi)部考核提供參考依據(jù)。

3.5.1 設(shè)備的健康管理

通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、分析，給出主要元件的使用壽命，避免因設(shè)備老化更換不及時(shí)導(dǎo)致的供電事故的發(fā)生。

3.5.2 故障診斷分析。根據(jù)電流波形判斷故障：

1）若出現(xiàn)圖2中所示，線圈電流未切換，即無(wú)T5點(diǎn)，則說(shuō)明開(kāi)關(guān)已經(jīng)發(fā)生拒合、拒分。健康管理系統(tǒng)給出分析：可能由于脫扣器卡死、機(jī)構(gòu)脫口部分卡滯及輔助開(kāi)關(guān)自身故障原因?qū)е隆?/p>

圖2 開(kāi)關(guān)拒合、拒分電流圖

2）若出現(xiàn)圖3中所示，線圈電流切換時(shí)間很長(zhǎng)，即T5大于100ms，健康管理系統(tǒng)給出提示：脫扣器出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，故障進(jìn)一步發(fā)展，很有可能造成機(jī)構(gòu)無(wú)法脫扣，開(kāi)關(guān)不能實(shí)現(xiàn)分、合閘動(dòng)作。

圖3 開(kāi)關(guān)不能實(shí)現(xiàn)分合電流圖

3）圖4為健康管理系統(tǒng)采集到的斷路器分閘線圈電流波形與歷史正常曲線比對(duì)圖，可以看出，開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，輔助開(kāi)關(guān)在切換時(shí)有較大的電流產(chǎn)生，可能出現(xiàn)觸點(diǎn)融毀。

圖4 分閘線圈波形對(duì)比圖

根據(jù)波形數(shù)據(jù)分析，得出設(shè)備的故障原因，給出參考解決方案，保證重點(diǎn)部位的可靠運(yùn)行和故障后的快速恢復(fù)。

4 結(jié)論

興隆莊煤礦中央變電所基于井下需求和實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合智能型高壓開(kāi)關(guān)柜技術(shù)、智能巡檢系統(tǒng)、安全生命周期管理系統(tǒng)等前沿科技，研發(fā)、設(shè)計(jì)井下中央變電所的智能化改造。實(shí)現(xiàn)變電所供電運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、分析，故障信息預(yù)診斷分析，電能計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，開(kāi)關(guān)設(shè)備的自動(dòng)操作、變電所智能巡檢，建設(shè)成安全可靠的智能型無(wú)人值守變電所。智能化變電所的主要功能是健康管理，在現(xiàn)有智能供配電監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主要器件運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境的檢測(cè)模塊，智能后臺(tái)診斷系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)逐步建立自己的大數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選異常數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，給用戶提供異常提示及維護(hù)指導(dǎo)。