煤矿井下供电系统远方漏电试验功能的设计

朱发和，薛 冰

(淮北矿业集团， 安徽 淮北 235000)

煤矿智能化水平的不断提高使井下供电安全在生产中的作用更加重要，它时刻影响着煤炭开采的产量及生产者的生命安全。井下作业环境一般比较潮湿，施工条件差，尽管采用各种措施，仍不可避免会发生漏电现象。为保证供电安全，井下发生漏电事故后低压馈电保护器必须可靠动作，因此需要定期在馈电线路末端通过电阻接地的方式对保护器漏电保护功能加以检查和验证。

传统电缆远端漏电试验方法是通过将馈电开关分闸断电，打开电磁启动器防爆壳，采用电阻箱将试验接地电阻的一端由导线连接到一条火线，另一端经导线接地，需要井下多人操作。该试验方法操作不方便同时还对试验人员产生不安全因素。本文通过对煤矿井下低压漏电试验过程进行分析，结合煤矿已普遍安装煤矿电力监控的特点，提出将煤矿远方漏电试验功能融合在煤矿电力监控系统的设计方案。

1 煤矿井下远方漏电试验系统方案

1.1 远方漏电试验系统构成

煤矿井下远方漏电试验系统由井下远方漏电试验箱、综合保护器、监控计算机或手持红外遥控器及其通信网络构建而成,见图1.

图1 煤矿井下远方漏电试验系统图

远方漏电试验箱，就地安装电缆末端电磁启动器侧，供电电源取自电磁启动器进线电缆上口，低压馈电开关合闸后，给电磁启动器漏电试验箱供电；试验箱内置超级电容，交流失电时，延迟断电，将试验信息上送监控系统计算机。根据井下低压电压等级配置漏电接地电阻：AC1 140 V/20 kΩ、AC660 V/11 kΩ，支持就地和远方遥控投切电阻。远方漏电试验箱，设计具有有线和无线多种通信方式，串口RS485、以太网光纤、4G/5G通信、WiFi等，根据现场情况构建井上井下通信网络。

综合保护器安装于低压馈电开关内部，是馈电开关的保护器，当供电电路中出现过载、短路、漏电和欠压、过压故障时，馈电开关能自动切断电源。与监控系统计算机通信，可实现遥测、遥信监视和遥控操作，具有选择性漏电保护功能。

通信网络共用煤矿供电监控系统网络，监控计算机安装在井上监控室或生产调度中心，综合保护器和远方漏电试验箱部署于井下；通过煤矿工业环网连接在一起。

1.2 漏电试验箱设计

漏电试验箱的硬件和结构设计应满足GB 3836—2010防爆要求，必须取得“MA”认证及相应资质，方可在井下试验应用。

1.2.1 硬件和结构设计

漏电试验箱的硬件包括：CPU主板、液晶显示、通信模块、电源模块和接地电阻电路。漏电试验箱原理图见图2.

图2 漏电试验箱原理图

CPU主板。采用ARM芯片，完成漏电试验功能、开入处理、通信协议以及液晶显示功能。

通信模块。采用多种通信方式进行选择：RS485通信；光纤以太网通信，配置光纤熔接盒；4 G/5G通信模块，通过以太网口或RS485口接入，配置规约透传模式；无线WiFi通信方式等。

开入回路。运行状态取(电磁启动器、分馈开关)开关合位；瓦斯闭锁取瓦斯传感器越限输出接点；交流失电取电源模块交流供电监视接点。

供电线路。取(电磁启动器、分馈开关)电源侧两相A相、C相，接入变压器T给装置供电；漏电试验电阻，根据电压等级进行配置，满足用户试验规程要求。

供电电缆、试验接地电缆(4芯)引入装置。装置内应有接线柱，试验接地电缆应采用4～6 mm2电缆。

电源模块。配置超级电容，用于上级馈电开关跳闸装置失电后，信息保存；电源模块配有交流失电输出接点，用于判断是否上级漏电跳闸动作；电源模块宽范围输入，输出电压DC5 V、DC24 V供给CPU主板、通信模块等。

漏电试验电阻电路。1 140 V配置20 kΩ、660 V需要配置11 kΩ电阻，以便适应不同电压等级试验，电阻准确度不大于5%；通过CPU核心单元的开出，依据电压等级和遥控命令投入不同电阻，开出触点应能够满足AC1 140 V电压。

在硬件设计的基础上，考虑各插件、变压器T的布置、通信模块的安装及天线的引出。

外形尺寸为长525 mm×宽349 mm×厚237 mm.漏电试验箱外形结构见图3.

1.2.2 漏电试验软件设计

漏电试验功能可以通过监控系统远方遥控或当地遥控操作启动，装置接收启动信息后，在无瓦斯闭锁开入(如接入)情况下，根据系统电压参数对应的漏电电阻值，投入漏电电阻，当交流失电或经过延时定值t返回，退出投入，并生成漏电试验报告，储存并上送监控系统。投入漏电电阻后，如交流失电，生成漏电试验成功报告；如经过延时定值t返回，生成漏电试验失败报告。逻辑框图见图4.

图3 漏电试验箱外形结构图

图4 漏电试验箱漏电试验逻辑图

2 监控系统远方漏电试验软件设计

监控系统漏电试验功能软件结构框图见图5.前置机与人机交互界面和井下装置进行通信交互数据和数据处理，并将数据储存到数据库和历史库中。在人机界面绘制系统图，操作远方漏电试验，井下装置上送的SOE和报告显示在告警窗中。试验完后，远方漏电试验结果会生成漏电试验报告呈现给用户。

图5 井下漏电试验系统软件结构图

监控主机与远方漏电试验箱直接通信，通信规约为配网104规约或MODBUS规约(具体依据系统接线方式)。

井下漏电试验监控操作画面见图6，总馈开关、分馈开关配保护器、电磁启动器配漏电试验箱。S1、S2为远方漏电试验点，试验点右键点击“漏电试验”，监控主机发送漏电试验遥控信息给远方漏电试验箱，远方漏电试验箱接收漏电试验信息后，执行漏电试验。监控主机接收试验结果：漏电试验报告。

监控主机根据系统运行拓扑图，收集试验点电磁启动器Q1(远方漏电试验箱)、分馈电开关K1、总馈电开关K0上送的信息，生成漏电试验报告。

漏电试验成功判据：监控计算机收到分馈开关保护器漏电保护动作跳闸及报告信息，下发“保护复归”给保护器，下发“合闸”给保护器，馈电开关合闸，完成送电。监控系统形成漏电试验综合报告，报告漏电实验成功。

图6 井下漏电试验监控操作画面图

漏电试验失败判据：监控计算机没有收到分馈开关保护器漏电保护动作跳闸及报告，或收到总馈开关保护器漏电保护动作跳闸及报告，监控系统形成漏电试验综合报告，报告漏电试验失败。漏电试验失败，监控计算机给出提示告警信息，提示用户需要调整保护器漏电定值，检查电缆和装置接地线路。

3 煤矿井下远方漏电试验系统的现场试验

杨柳煤矿按上述设计搭建煤矿井下远方漏电试验系统，从地面电力监控系统对井下试验点进行试验，远方操作漏电试验箱投入试验电阻，低压保护器漏电保护动作跳闸，试验完成后，监控机自动生成漏电试验报告，验证了低压保护器漏电保护功能及定值设置的合理性，达到了预期的设计目的，满足用户使用需求。

4 结 论

结合煤矿供电电气设备运行的实际情况，将煤矿供电监控系统和远方漏电试验结合起来，设计了煤矿井下远方漏电试验系统，该系统实现了漏电试验的远方操作，操作过程可追溯并智能判断形成漏电试验报告，验证保护器漏电保护功能，对设备预诊断和检修提供参考依据，能够对煤矿每月需要进行的低压远方漏电试验在地面进行远程测试，该系统的实施能够大幅降低煤矿对技术人员的专业要求，减轻人员的工作强度，减少由于停送电操作带来的安全风险，具有一定的实际应用价值。