矿用高压柜隔离开关触头温度系统的设计

穆瑞军

（阳煤集团五矿， 山西 阳泉 045008）

引言

在井下高压开关柜相当重要，不仅关系着地下各类机电设备的运行，而且直接影响井下各项工作的进行。然而，由于矿山一直在发展，井下不断新增需要用电的设备，整个井下供电系统很有可能处在临界值甚至超过临界值运行。高负荷甚至超负荷运行状态下，不仅对井下高压电缆有损失，对高压柜隔离开关更是有很大的影响，其触头处持续发热，严重情况下会连续升温，达到表皮燃点，造成火灾事故[1]。因此，需要设计出一个触头温度的监测系统，对触头处的温度进行监测，一旦到达预警值，立刻采取对应措施，避免井下电气火灾事故的各类损伤。

1 系统设计的目标

以煤矿为例，根据其井下高压柜常处的环境以及需要达到的功能，将井下触头温度系统所需要达到的程度总结为以下几点：

1）传感器探测触头温度，转换为电信号直接反应到上位机，要保证测量的即时性；

2）信号传输要稳定，不受其他自动化设备的电磁干扰，要保证在覆盖区域内的信号传送不失真；

3）检测系统要能持续工作较长时间，因此需要有独立的供电方式。如果采取接入供电网路中，一旦温度超过阈值之前瞬间短路，则无法达到规避风险的目的。

2 设计方案的选取

设计方案主要包括三个方面，分别是温度检测的方式、电力供给的方式和信号传输的方式[2]。

2.1 温度检测的方式

根据检测仪器是否与检测点有接触，将温度检测的方式分为接触式检测和非接触式检测。接触式检测通过温感元件将温度的变化转换为电信号，对触头处的温度实行检测。此方法的优点在于检测精准，很小的温度变化都能够有反应，同时设备的价格也相对较低，而且由于其本身就接入电网循环中，无需额外电力供应。非接触式检测则指的是红外检测和光纤检测这两种温度检测方式，两者的对温度的检测十分精准，测量的误差较小，但是光纤检测器的售价较高，不利于在矿井中多处、大量配备此设备。相比于光纤检测器，红外检测价格相对便宜一些，但是最大的缺点在于无法测量微小的器材，而井下高压开关的触头就恰巧属于这类微小的部件，因此也不予考虑。结合以上分析，对高压开关触头的温度检测选取接触式检测，即选用温感元件检测触头处的温度变化。

2.2 电力供给的方式

参考国内外井下电气管理的经验，温度检测系统的电力供给可以借鉴这些方法，根据电力是否需要外部传输可以分为自给式和传输式。

自给式供电，指电力的供给依靠安装在设备上的电池。自给式供电又可分为两种，一种是只安装大容量电池，此方法的优点在于不需要铺设线路，方便快捷，缺点在于电池需要定期更换，检修相对麻烦。另一种自给式供电指的是安装太阳能和风力发电机，再配以一定容量的蓄电池，靠高压开关所处环境发电，以供系统所用，缺点也很明显，就是对环境的依赖度高，一旦无风无光，就会陷入无电可用的境地。传输式供电，指的是将检测系统的供电接入原有电网中，优点是方便、省事，缺点就是故障发生后无法达到检测的效果。综合分析井下的条件和经济因素，选择电池供电，保证故障发生时的检测可靠度。

2.3 信号传输的方式

参考井下通讯的信号传输方式，温度检测系统的信号传输分以下四种：光纤传输、电力线载波、公用无线通讯网网和无线射频技术。

1）光纤传输的优点在于高带宽，传输质量和速度有保证；缺点就是光纤的铺设耗钱耗力，成本难以接受，因此不考虑此方式。

2）电力线载波就是人们常说的PLC通信，全称Power Line Carrier。是将信息传输依附在电网之上，通过电流携带信息进行数据传输。此方式方便快捷，但是电网自身的电流变换对信号的传输影响很大，无法保证信号传输的质量。温度系统中传输的信号本身强度就不大，极易被干扰，因此此方式也不予考虑。

3）公共无线通讯网的成本较高，每年都需要支付服务费，这对于矿山企业来说很不实惠，因此此方式也排除掉。

4）无线射频技术，ZigBee是一种功率和经济消耗都在可接受范围内的无线传感网络通信协议，适合于井下信号的传输，因此温度系统的信号传输采用此方式。

3 系统设计

3.1 系统的组成

以煤矿为例，针对煤矿井下35 kV高压柜隔离开关触头的温度进行检测，在触头处接入温感传感器，将温度的变化转变成电流强度的变化，通过无线射频技术把携带的信息传输到电脑上，电脑判断是否达到温度预警值，如果达到或者超过，反馈到报警器，避免触头处温度过高造成危险[3]。系统结构图如图1所示。

图1 矿用高压柜隔离开关触头温度系统结构示意图

将信息传输到电脑后需要电脑对信息进行实时显示，工作人员才可以准确得知触头温度，同时，软件部分还应对接受信息进行分类和管理，比如设定时间段的数据对比、周期性的数据对比，为检修和维护提供参考，软件功能结构图如图2所示。

图2 矿用高压柜颗粒开关触头温度系统软件功能结构图

3.2 数据的处理

对于电脑端收集到的数据，需要对其进行分档和归类，以便后期查询和分析，主要有以下几部分功能。

3.2.1 预警功能

数据处理最主要的功能便是预警功能，当监控到的温度到达危险值时，立刻触发报警装置，如果条件允许，最好能够再配备一套联锁装置，将温度较高的线路切换到备用线路，待一段时间后再继续使用。

3.2.2 信息储存功能

除了危险预警之外，信息的储存也相当关键。在获得温度信息后，将其进行储存，可以设定储存的时间间隔为10 s一次，可以得到一段时间内，温度与时间的关系，以便分析出高压开关多久会升温到危险值，同时，在报警之后，报警信息也要被储存，这也是安全生产标准化的一种践行措施。

4 试验验证

针对硬件部分，主要试验验证三个部分，第一部分，传感器的可靠度；第二部分，信号传输的可靠度；第三部分，电脑信息储存功能可靠度。

4.1 传感器可靠度检验

在同样的温度下，考虑到井下的环境，以零下10℃到零上70℃为温度区间，每10℃为一个测量步长，检测传感器和温度计测得的数据，如表1所示。

表1 测试数据

试验结果表明，传感器检测和温度计温度误差较小，具有极高的可信度，完全符合现场需求，可以使用。

4.2 信号传输可靠度检测

在空旷房间中，以10 m为步长，移动发射源，试验结果表明，在完全无阻碍的情况下，信号传输距离可以达到100 m。模拟井下环境，将其表面用石板覆盖，试验结果表明，在完全覆盖的情况下，信号传输距离为5 m。由此证明，信号传输完全满足井下需求。

4.3 数据存储检测

将电脑中接收的数据导出并打印出来，以30 min为时间间隔，预测下个30 min的温度，其结果表明，在危险温度的区间内，根据其温度上升的趋势，可以较为精确的预测到到达预警值的时间。同时，以20 d为周期，在5个周期内，数据都得到了较好的保存，证明其数据存储可靠性满足井下需求。

5 结语

结合井下环境，得到矿用高压柜隔离开关触头温度系统理论上应该达到的程度，根据现有的技术条件，分别选取温感元件为温度检测的方式、电池供电为系统电力供给方式以及无线射频技术为信息传输方式。以此为依据，设计出一套矿用高压柜隔离开关触头温度系统，经过试验验证，其温度检测、信息传输以及数据储存的可靠性都很高，满足井下需求，说明此系统设计合理，对保障矿山安全生产具有重要的意义。