POE供电技术在救援系统中的应用

王小波,梁春苗

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077）

POE供电技术在救援系统中的应用

王小波,梁春苗

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077）

煤矿井下用摄像设备一般分为本质安全型和隔爆型，本质安全型摄像设备在井下使用灵活性很高。在救援中工作时间不确定，探头通常采用井口供电的方式。本文按照煤矿防爆、安标要求，分析了探头电路功率组成，线路压降损耗的计算，给出了井口供电的电源电压和摄像头功率选择要求。本文采用POE供电技术实现了长距离本质安全型供电方案，对其他类型的远距离矿用设备供电也有一定的参考价值。

POE供电；本安电路；救援探头

煤矿井下发生煤与瓦斯突出或透水事故后，原有的监控通信系统被破坏，井下被困人员的情况无法得知。如果能够利用第一时间贯通的救援井孔，了解井下巷道内的情况，对制定科学的救援方案就会起着至关重要的作用。

通过救援井孔深入到巷道的应急救援井孔声像系统，国内目前尚无类似的技术与装备。矿用设备中最为相近的是矿用窥视仪，用于锚杆孔的探查。矿井中已有使用的本安型红外摄像仪，矿井救援用本安型计算机，两种救援视频设备，具有视频观测距离远，但需要人员携带进入受灾区域，对查明井下灾情侦查有一定作用，对于救援被困人员几乎无用武之力。

基于POE供电技术的本安探头，能够在成孔贯通后，通过井孔深入的被困区域，与被困人员进行视频、对话。了解被困人员的实际位置、状况、物资需求，同时也能安抚被困人员情绪，可大大提高救援效率，进一步减少人员伤亡。

1 Poe传输方式必要性

本安电路是防爆标准规定的条件下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。本文系统采用的防爆型式是一般兼本质安全型，即探头和与探头连接的部分均为本质安全型型。

视频传输技术通常是100米以内采用同轴传输，300米以内采用双绞线传输，300～ 1500米采用补偿器双绞线传输。1500米以上采用光纤传输。通常煤矿救援深度为300-800米。

长距离的视频传输满足矿井使用要求，电源供电技术成为系统设计的关键。标准中规定六类双绞线的直流阻抗为每百米7.02Ω，超五类双绞线的直流阻抗为每百米9.38Ω。采用双绞线供电主要解决线路上的压降和功率损耗。

2 POE技术与本安探头分析

以太网供电POE（Power Over Ethernet）技术是指在传输数据信号，视频、音频信号的同时还能传输直流电源，将电源和数据集成统一有线系统当中，通常在双绞线上输出44-57V的直流电压，350-440mA的直流电流，为一般功耗在15.4W以下的设备供电。本系统按照IEEE802.3AF推荐用法，应用空闲脚供电时，4、

5脚连接为正极，7、8脚连接为负极。

POE供电技术在解决救援探查时，主要优点：1传输线公用性强，成本低，2探头放置灵活，设备在孔深范围内不受位置限制，不受供电电源的限制，供电时间无线延长。按照防爆要求，纯阻性电路的本安参数参考曲线图如图1所示。

图1 纯阻性本安电压与电流的对应曲线

按防爆要求，与井下部分关联没有采取电气隔离的电气设备均应为ExibI Mb本质安全型类别，也就是说地面供电部分要达到本质安全型要求并留有1.5倍的安全系数。

按照参数曲线图和防爆标准中的“电压和设备级别对应的允许短路电流表”，1.5倍的安全系数参照公式1计算，可以得出表1的数据对应关系。

表1 本安最大输出关系表

3 技术研究及相关试验

3.1 功率损耗计算

每100m网线上的压降根据网线不同分别为六类每百米7.0欧和超五类每百米约9.4欧两种。考虑800米直流电阻值如表2所示。

表2 双绞线直流阻抗表

终端不同的电流要求，网线上的压降按照公式2计算如下：

带入公式2计算不同传输距离和终端消耗不同电流时的压降，如公式3所示。

按照矩阵计算结果如表3，不可能应用到本安参数中的数据在表中不列出，表中只列出了关键距离的压损。

表3 超五类和六类双绞线的压损列表

末端如果要使用12V电压，结合POE首端供电电压标准范围，压降应控制在45V以内，除了关注压损外，我们还需要关注系统的总功率分配，功率分配中线路上的功率损耗按公式4计算。

计算结果如表4所示，明显不满足本安要求的在表中以“※”代替。

表4 传输距离、终端电流和功率计算表

3.2 本安功率分解研究

探头部分通常用视频摄像头和LED光源组成，采用语音对话的探头还有拾音器和扬声器等，探头功率组成见公式5。

功率分配和压降在系统设计中按照下述方案进行，LED光源功率可采用PWM调光技术,其最大输出参数可控制在12V,100mA以内，即最大功率约1.2W。拾音器的参数一般为12V,20mA，功率约为0.36W。扬声器根据救援需要选用供电参数约为为12V,35mA，功率约1W，即可满足声音播放需求。三项和为12V供电时，电流为155 mA,功率为2.65W 。

3.3 本安型POE供电算法研究

双绞线最高允许传输电压57V时，最大功率查图1，按照公式1计算约为7.6W；45V时，1.5倍系数最大允许电流见表1为191 mA，除去三项和只有35 mA，留给摄像头功率太小，难选型。30 V时，最大功率约为14.2W，1.5倍系数最大允许电流为473mA，除去三项和有318mA，但电压损耗26.5V，终端电压只有4.5V电压。

通常本安型的要求是把功率余量流出来，方便通过火花试验，同时满足电压和功率需求。以200电流为准计算，355电流通讯距离为800米压降为19.9V,首端电压为31.9V,查图1，得出允许电流为390毫安，压损和本安功率同时满足要求。

按上述算法在超六类线中，符合上述要求，摄像头电源采用12V供电，首端为32.6V，电流应在212mA，以内才能符合首端供电本安要求。超五类线中以此类推算法进行，直流电阻值不同。

4 结论

在本安型设备中，POE技术借用以太网获得供电的电子设备无需额外的电源供电和布线就可使用，但是由于防爆中功率和电压参数的问题，在摄像头选型时因进行相应的功率控制，适合不同距离的需求。除上述分析应用外，项目组还着手研究了单芯多股的双绞线，旨在降低双绞线的直流阻抗。总之使用双绞线使得系统成本相对降低，系统简单，稳定性高，实现了末端模块化管理，便于不同距离功耗探头系列化应用。

[1] 郑学召，罗振敏，邓军，吴建斌.本安型红外摄像仪在矿井救援中的应用.煤炭科学技术.2009.7,37（7）；

[2] 郑学召，王伟峰，郑军.矿井救援用本安型计算机的研制.工况自动化.2009.7；

[3] 中国国家标准化管理委员会.GB3836. 4-2010, 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S].北京：中国标准出版社，2010.

[4] 刘明芳.,POE-为供电插上翅膀[J].智能建筑与城市信息,2005,总第102期（第5期）,70－72.

[5] 张晓东.POE供电技术在电视监控系统中的应用[J].信息系统工程,2012.8,38－39.

[6] 王小波.影响本安电源可靠性的因素及解决方法[J].煤田地质与勘探，2013，41（4）,78-80.

Application of POE technology in power supply system of in relief

Wang Xiaobo，Liang Chunmiao
（Xi’an Research institute of China Coal Technology＆Engineering Group, Xi’an，710077）

Mine camera equipment is generally divided into the intrinsically safe and flameproof type,intrinsically safe type camera equipment in mine with high flexibility.In the rescue system,due to the work of indefinite length of time,usually by the wellhead probe power supply mode.In this paper,in accordance with the explosion-proof safety standard requirements,analyzed the composition of the probe circuit power,calculation of line pressure drop loss,given the wellhead power supply voltage and a camera power requirements.This paper uses POE power supply technology has realized the power supply scheme for long distance of intrinsically safe type,also have certain reference value for other types of remote mining equipment power supply.

POE power supply;intrinsically safe circuit;rescue probe

TD684

A