平鵬偉

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西長治 046102）

0 引言

在礦井下，高壓開關(guān)柜占據(jù)著極其關(guān)鍵的地位，不僅對各個設(shè)備的運行有著直接的關(guān)系，而且對各個運行環(huán)節(jié)有著一定的影響。但是，由于礦山在不斷的發(fā)展中，井下所需的電力設(shè)備也應(yīng)當(dāng)持續(xù)增加，其供電體系的運行極有可能為超臨界狀態(tài)。若運行負荷過高或者超出標(biāo)準(zhǔn)時，不僅對高壓電纜造成了極大的破壞，而且也極大地威脅到高壓柜中隔離開關(guān)的運行，進而導(dǎo)致觸頭的溫度不斷上升，嚴(yán)重的會達到表皮的燃燒界點，誘發(fā)火災(zāi)。因此，針對該部位的溫度，應(yīng)當(dāng)研發(fā)一個有效的監(jiān)測體系，對其實施嚴(yán)格的監(jiān)測，其溫度一旦與預(yù)警值相接近，應(yīng)當(dāng)立刻采取措施，防止因火災(zāi)的發(fā)生而造成一定的破壞。

1 系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)

選擇煤礦進行研究，根據(jù)高壓柜所處的環(huán)境及應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)的功能，將相應(yīng)的觸頭溫度系統(tǒng)所需實現(xiàn)的程度進行歸納：

（1）傳感器在監(jiān)測到觸頭溫度時，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栔苯觽鬏數(shù)缴衔粰C，應(yīng)當(dāng)確保測量具備即時性；

（2）信號的傳輸應(yīng)當(dāng)具備穩(wěn)定性，其他的設(shè)備不會對其產(chǎn)生干擾，應(yīng)當(dāng)確保信號在覆蓋區(qū)域內(nèi)的傳輸具備真實性；

（3）檢測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)保持較長的工作時間，因此需要保持獨立的供電系統(tǒng)。如果將相應(yīng)的供電網(wǎng)介入其中之后，一旦溫度超出了閥值之前的瞬間短路，將不能對風(fēng)險進行有效的規(guī)避[1]。

2 設(shè)計方案的選取

該方案應(yīng)當(dāng)涵蓋3部分的內(nèi)容，分別為溫度的檢測、電力的供給及信號的傳輸。

2.1 溫度的檢測模式

根據(jù)檢測儀器是否與檢測部位相接觸來對溫度檢測進行劃分，其主要有兩種：

（1）接觸式檢測。利用溫感設(shè)備將溫度的改變來轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，對觸頭的溫度進行檢測。該方法所具備的優(yōu)勢在于具備較高的敏銳度，即便溫度所發(fā)生的變化極其微小，也可以產(chǎn)生反應(yīng)，同時應(yīng)用該設(shè)備不需要較高的成本，而且因其自身就處于電網(wǎng)循環(huán)之中，不需要額外的電力供應(yīng)[2]。

（2）非接觸式檢測。指的是利用光纖及紅外兩種檢測方式，其檢測效果較為精確，誤差較小，但是光纖檢測器的價格較高，不具備適用性。與該檢測器相比，紅外檢測器的成本較低，但是該儀器的不足就是無法對小型的設(shè)備進行測量，而觸頭恰巧屬于這類部件，因此無法使用。與上述分析相結(jié)合，運用第一種方法來檢測觸頭的溫度，即使用相應(yīng)的溫感設(shè)備來對其進行檢測。

2.2 電力的供給模式

借鑒國內(nèi)外井下電氣系統(tǒng)的管理經(jīng)驗，參考這些方式來為溫度檢測系統(tǒng)提供電力，根據(jù)其是否需要進行外部傳輸可以將其分為兩類。

（1）自給式，指的是通過設(shè)備上的電池來供電。這種形式又可以分為兩種，一種是只安裝容量較大的電池，其優(yōu)點主要為不需要額外添加線路，缺點在于需要按時更替電池，檢修較為困難；另一種是通過安裝太陽能等設(shè)備，依靠高壓開關(guān)所在的環(huán)境來供電，以供系統(tǒng)使用，其缺點也較為明顯，即過于依賴環(huán)境，一旦環(huán)境中無光無風(fēng)，將不再有電力的供應(yīng)[3]。

（2）傳輸式，指的是將檢測體系之內(nèi)的供電與現(xiàn)存的電網(wǎng)相連接。其存在的優(yōu)點主要為便捷，缺點就是在產(chǎn)生故障之后無法實現(xiàn)預(yù)期的檢測效果。

對礦井下環(huán)境及經(jīng)濟等各個因素進行有效分析，將電池作為提供電能的模式，確保發(fā)生故障時也可以具備較高的檢測精度。

2.3 信號傳輸?shù)姆绞?/h3>

借鑒礦井下通訊信號的傳輸方式，對溫度進行檢測的系統(tǒng)主要存在4種信號傳輸。

（1）光纖傳輸。它所具有的優(yōu)勢為高寬帶，具有可靠的傳輸質(zhì)量及速度；不足之處就是鋪設(shè)光纖會耗費較大的錢力物力，難以接受成本，因此對該方式不加以考慮。

（2）電力線載波。指的是PLC通信。將信息的傳輸依靠于電網(wǎng)中，利用電流所具有的信息來完成數(shù)據(jù)的傳輸。該方法具備較大的便捷性，但是在電網(wǎng)中，電流具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效果，極大影響著信號的傳輸，導(dǎo)致其傳輸?shù)馁|(zhì)量無法得到保障[4]。溫度體系所傳輸?shù)男盘柌痪邆漭^大的強度，極易受到干擾，因此該方式也不加考慮。

（3）公用無線通訊網(wǎng)。它具有較高的成本，每年都需要支出一定的服務(wù)費用，對于礦山企業(yè)而言，這并不實惠，因此該方法也可以排除。

（4）無線射頻技術(shù)。ZigBee作為一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，其消耗的功率及經(jīng)濟都處于可接受的范圍之內(nèi)，適用于礦井下的信號傳輸，因此該方法具有較強的可行性。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的組成

選擇礦井進行研究，對礦井35 kV的高壓柜隔離開關(guān)觸頭所具有的溫度加以檢測，在該部位安裝相應(yīng)的傳感器，對溫度變化加以轉(zhuǎn)換，使其成為電流強度的改變，利用無線射頻技術(shù)來傳輸相應(yīng)的信息，判斷該溫度是否達到警戒點，若達到或超出預(yù)警值，其報警裝置將會做出反應(yīng)，避免因觸頭的溫度過高而產(chǎn)生危險圈，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 礦用高壓柜隔離開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)電腦接收到信息之后，電腦可以及時地顯示出信息，以確保相關(guān)人員可以精確掌握到觸頭的溫度，同時，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)對信息進行一系列的處理[5]，例如設(shè)定時間段及周期性的數(shù)據(jù)比較，為維修提供可靠的依據(jù)，軟件功能的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 礦用高壓柜顆粒開關(guān)觸頭溫度系統(tǒng)軟件功能示意圖

3.2 數(shù)據(jù)的處理

電腦在收集到各種數(shù)據(jù)之后，應(yīng)當(dāng)進行分類處理，以助于日后的分析與查詢，其功能主要有以下幾點。

3.2.1 預(yù)警的功能

在對數(shù)據(jù)進行處理的過程中，其核心環(huán)節(jié)就是預(yù)警，當(dāng)溫度與臨界點相接近的時候，警報將會啟動，若條件達到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)再安裝一個連鎖裝置，將高溫線路加以切換，促使其成為備用線路，在經(jīng)過一段時間之后再進行使用[6]。

3.2.2 信息儲存的功能

除預(yù)警之外，信息儲存也發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。在獲取有效的信息之后，可以將其進行保存，其保存的時間間隔為10 s，可以取得某個時間段內(nèi)時間與溫度所具有的關(guān)系，促使其對高壓開關(guān)的相關(guān)信息進行有效的分析，同時，在發(fā)出報警之后，其信息將會被儲存，從而使生產(chǎn)具備較強的安全性[7]。

4 試驗驗證

對于硬件單元，其主要對傳感器、信號傳輸及信息儲存功能所具備的可靠性進行驗證。

4.1 傳感器的可靠度檢驗

處于同一溫度下，應(yīng)當(dāng)對礦井內(nèi)的實際環(huán)境加以考慮，將-10～70℃之間定為溫度區(qū)，其監(jiān)測的周期為10℃，對傳感器及溫度計兩個儀器的數(shù)據(jù)加以檢測，如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)結(jié)果可知，傳感器與溫度計兩個儀器所檢測的溫度并不存在明顯的誤差，其精確度較高，與現(xiàn)場的要求相吻合，可以加以應(yīng)用。

4.2 信號傳輸?shù)目煽慷葯z測

在空蕩的房間中，選擇10 m作為步長來移動發(fā)射的源頭，其結(jié)果顯示，處于無障礙的狀況下，信號傳輸?shù)木嚯x可達到100 m。對礦井下的環(huán)境進行模擬，運用石板來覆蓋其表面，根據(jù)結(jié)果可知，在覆蓋完全的狀況下，信號的傳輸應(yīng)當(dāng)為5 m。由此可知，信號的傳輸與礦井的實際需求相吻合。

4.3 數(shù)據(jù)存儲的檢測

導(dǎo)出電腦收集到的數(shù)據(jù)，并將其打印出來，其時間間隔為30 mm，對下一個0.5 h的溫度進行預(yù)測，其結(jié)果顯示，在溫度的危險區(qū)域內(nèi)，基于溫度升高的趨勢，將其達到臨界點的時間加以預(yù)測。同時，將20天作為1個周期，在5個周期以內(nèi)，數(shù)據(jù)都可以取得較好的保存，其數(shù)據(jù)保存的有效性與礦井的實際需求相吻合[8]。

5 結(jié)束語

與井下的環(huán)境相結(jié)合，得到溫度系統(tǒng)所應(yīng)達到的理論程度，基于現(xiàn)有的技術(shù)狀況，選取溫度感知元件、電池及無線射頻技術(shù)分別作為溫度檢測、電力供給及信息傳輸?shù)姆绞??；诖藖碓O(shè)計出一套最佳的溫度系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)驗證，信息傳輸、溫度檢測及數(shù)據(jù)保存都具備較高的精確性，與井下的需求相適應(yīng)，表明該系統(tǒng)的設(shè)計較為合理，極大確保了礦山生產(chǎn)的安全性。