煤礦井下低壓供電系統遠程集控漏電試驗平臺設計研究

崔智明

(潞安化工集團有限公司，山西省長治市，046204)

0 引言

在煤礦開采過程中，各生產系統都依賴供電系統獲取動力。一般情況下，煤礦的供電系統有高壓和低壓之分，而在煤礦生產過程中，這2種不同的供電系統所扮演的角色也不盡相同。較之高壓供電系統而言，作業者與低壓供電系統接觸的機會相對更多，因此潛在的作業風險更高，如果出現漏電，那么很可能會危及作業人員的生命安全。當前高度自動化已經成為煤礦發展的必然趨勢，這必然會應用到更多的低壓供電系統，在提高煤炭開采水平同時，還會對現場工人的人身安全產生重大影響。井工煤礦煤炭開采井下環境空氣濕度較大，且空氣中往往含有很多易燃易爆氣體，作業環境比較復雜，雖然具備一些日常防范措施，但低壓供電系統漏電問題還是時有發生。因此，低壓供電系統的漏電保護對煤礦企業很重要。一般情況下，磨損的電纜絕緣以及出現故障的機電系統等都可能導致煤礦井下低壓供電系統漏電。不僅如此，出現故障后的低壓供電系統往往會伴隨火花出現，一旦遇到明火，就有可能引起瓦斯爆炸事故。為了能夠更加安全地供電，必須確保饋電保護器能夠在出現漏電事故后能夠及時、準確地動作，所以必須對饋電線路末端進行定期檢查，并且其保護器要采用電阻接地的方式判斷是否具有漏電保護。

通常情況下，必須要在饋電開關非工作時對電纜遠端進行判斷，確定是否出現漏電，同時還要打開電磁啟動器防爆殼，判斷電磁啟動器防爆殼是否處于開放狀態，然后檢測接地電阻，等等。該操作程序需要大量井下工作人員共同完成，不僅步驟復雜還會導致測試人員安全風險的增加。為了使該問題得到妥善解決，筆者在深入分析煤礦井下低壓漏電試驗過程的基礎上，基于當前煤礦電力監控系統構建了與之相匹配的遠程漏電試驗平臺，由此能夠確保所有漏電試驗和合閘動作都可以通過遠端完成，且只需要單人便可完成操作，不僅使操作流程更加優化和簡便，同時還提高了操作效率，煤礦井下作業安全系數也大幅提升。

1 煤礦井下低壓供電系統特征及漏電原因分析

1.1 煤礦井下低壓供電系統特征

結合煤礦井下供電過程中所發現的問題，對煤礦低壓供電系統進行了系統研究，發現了潛在的各種風險。

煤礦各個動力變壓器的電源必須保持相對獨立。而目前煤礦井下低壓供電系統的供電方式一般需要多組獨立小型供電系統來實現，并且大多數煤礦電壓轉換和穩定使用1臺獨立動力的變壓器。當前，660 V或1 140 V是煤礦比較常見的2種電壓，并且實際供電電壓往往與所采用的采煤方法密切關聯。比如，660 V的供電電壓經常被設置在綜合機械化的煤炭開采過程。而觸電是低壓供電系統作業中常見的安全風險，因此煤礦的電纜線路要盡可能避免集中分布，這種分布方式能夠最大限度保證電容的分散性，從而最大限度減少觸電事故的發生。此外，煤礦井下低壓供電系統中所包含的器件較為復雜，穩定性也較差。因此，為了減少外界環境對煤礦電纜所造成的不利影響，避免造成安全隱患，必須確保供電網絡及其器件安全穩定運行。煤礦井下低壓供電系統示意如圖所示。

DW—溫度補償的穩壓二極管

1.2 煤礦井下低壓供電系統漏電原因

對煤礦井下供電系統而言，漏電影響因素繁雜，在多重因素的影響下往往會出現以下漏電問題。

(1)作業溫度過高。如果井下作業區溫度過高，電氣設備和電纜常常發生過載發熱問題，進而大幅降低了絕緣性。

(2)作業環境潮濕。煤礦井下通常比較潮濕，這樣的特殊環境會影響電氣設備的正常健康運行，一旦設備進水，就會降低絕緣電阻。同時，如果平時沒有及時維護保養電氣設備和電纜，對其中產生的問題疏于管理，未能在第一時間消除電纜受潮和絕緣降低的問題，就可能導致非常嚴重的后果。此外，如果對電氣設備違規使用，隨意對設備進行改動、改造，會使相關的間隙值發生重大改變，外殼放電的風險也會隨之增加，導致電氣設備帶病運行，無法保持高效工作。

(3)電氣設備等絕緣失效。煤礦井下往往存在多種作業交叉進行的情況，且作業空間有限，在這種情況下，如果受到作業車輛的摩擦、剮蹭等，就可能致使電纜絕緣磨損，甚至漏電。除此之外，搬動電纜或小角度彎曲電纜都會損傷電纜芯線，使其接地功能失效，發生漏電安全事故。

(4)檢修人員違規檢修電氣設備?，F場經常存在檢修人員檢修不到位、項目不齊全等問題，這將導致電氣設備的一些潛在問題不能及時發現并處置，由此也會導致漏電問題的產生。

2 煤礦井下低壓供電系統漏電的危害

對處于運行狀態的低壓供電系統而言，漏電故障往往會帶來以下較為嚴重的危害。

(1)大大增加作業人員的觸電概率。井下空氣濕度相對較大，這必然會導致作業人員身體電阻值的下降，一旦出現觸電情況，很難輕易從中脫離，最終導致觸電，危及生命安全。

(2)導致產生瓦斯爆炸等事故。在電氣設備系統漏電的情況下，如果井下瓦斯濃度在5%～16%，將極易出現瓦斯爆炸事故。另外，出現電位差也是漏電回路節點的顯著特點，這種情況下將導致電雷管發生爆炸。

(3)導致電氣設備火災事故發生。電氣設備的絕緣會因為漏電而發熱，進而發生短路，這是電氣設備發生火災的主要原因之一。另外，電氣設備單相接地也會影響到電網電壓，產生過電壓后會傷及絕緣較差的設備。

(4)產生較大兩相對地電壓。單相接地是產生較大兩相對地電壓的主要原因。在這種情況下，其外部絕緣壓力驟然增加，由此破壞絕緣性能，一旦出現漏電，就會大幅增加故障所帶來的不利影響。

(5)增加瓦斯爆炸風險。當漏電故障出現后，井下各種作業會因為檢修而被迫停止，只有徹底排除和解決漏電故障后才能恢復作業。部分通風機也會因為停電而無法正常工作，從而會導致掘進工作面迅速聚集大量瓦斯，增加了瓦斯爆炸的風險隱患。

3 煤礦井下低壓供電遠程集控漏電試驗平臺工作

技術原理及原則

應用現代信息技術并輔以智能控制技術的煤礦井下低壓供電系統遠程集控漏電試驗平臺的設計，具體涉及多種先進技術，比如遠程通信技術、集成漏電檢測技術等。構建該平臺應遵循以下技術原理和原則。

(1)漏電檢測技術。所使用的漏電檢測裝置靈敏度相對較高，對系統是否漏電可進行全方位監測。在對電信號進行差異檢測的基礎之上，就能夠對漏電與否作出準確判斷。

(2)數據采集與處理技術。通過傳感器和數據采集系統可對供電系統的相關參數進行及時采集，得到關于電壓、電流的數值后向中央控制系統進行傳送，并在中央控制系統可對這些數據進行處理和分析，將其中的漏電信息篩選出來。

(3)遠程通信技術。借助專用通信網絡或互聯網向遠程監控中心傳送供電系統漏電信息，這些信息可及時在遠程監控中心平臺上顯示，由此可對漏電試驗平臺的操作進行遠程控制，并對參數設置作出調整。

(4)漏電試驗方法與流程。漏電試驗方法的選擇以及流程的設計必須完全符合煤礦井下低壓供電系統的特點，由此可更加科學合理地設定試驗參數、選擇電阻接地方式等，從而得到較為準確的漏電試驗結果。

為此，筆者構建了與之相匹配的煤礦井下低壓供電系統遠程集控漏電試驗平臺，以求在生產現場能夠準確定位漏電問題，并能迅速找到問題根源，從而大幅提升供電系統的安全性和可靠性。

4 煤礦井下低壓供電系統遠程集控漏電試驗平臺

設計

4.1 遠程集控漏電試驗平臺的結構設計

煤礦井下低壓供電遠程集控漏電試驗平臺的構成部件主要涉及4部分，具體如圖2所示。

SW-漏電試驗箱接地刀閘；R-漏電試驗箱接地電阻；K1-低壓饋電開關的電源開關；K2-電磁啟動器的電源開關；M-負載電機。

礦用隔爆型漏電保護試驗電阻箱一般位于電磁啟動器左側，供電電源也在附近。當低壓饋電處于正常工作狀態時，漏電實驗箱獲得動力電源。另外，在漏電試驗箱內配備相關超級電容，在交流失電情況下可延遲返回信號，向礦用隔爆型載波信號接收箱上報相關試驗信息，通過遠端發射箱便能夠對發送器進行遙控完成相關操作。此外，漏電接地電阻的選擇必須與不同等級的井下低壓電壓相匹配，AC1 140 V通常對應20 kΩ、10 W，AC660 V通常對應11 kΩ、10 W，就地和遠程都可以完成對電阻的投切。

礦用隔爆型漏電保護試驗電阻箱的設計包括串口RS485、以太光纖等不同種類的通信方式，能夠結合現場不同狀況進行通信網絡的構建。該電阻箱載波接收模塊為AC/DC12 V～36 V的額定電壓，以及150 mA的額定電流。遙控發送器則為DC9V的額定電壓，以及15 mA的額定電流。

低壓饋電開關中配備了綜合保護器，能夠最大限度保障開關的安全性，并且可在必要時對是否切斷電源作出快速準確的響應，防止因為短路等問題損傷設備設施。另外，載波信號接收箱等的作用是為遠程操作提供保障，即漏電保護。

煤礦供電監控系統網絡為該平臺的運行奠定了技術層面的支撐，監控計算機設置在地面監控中心，其他設備如載波信號接收箱設置在井下，彼此之間的連接可通過煤礦工業以太網來實現。

4.2 漏電試驗電阻箱設計

漏電試驗電阻箱必須嚴格按照《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》(MT209-1990)、《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用基本試驗方法》(MT/T210-1990)煤礦通信、《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》(GB3836-2010)防爆等相關要求來設計相應的硬件和結構，產品所設計的安全標識必須與《礦用產品安全標志標識》(AQ1043-2007)的要求相符合，具備符合要求和規定的資質，同時還應當獲得煤礦安全標志(MA)認證，由此才能被應用到井下試驗。

4.2.1 硬件系統設計

漏電試驗電阻箱主要有主板(CPU)、電源模塊、通信模塊等構成，其工作原理和主要構成如圖3所示。

圖3 漏電試驗電阻箱工作原理及主要構成

(1)CPU的主要功能是液晶顯示、通信協議以及漏電試驗等。

(2)電源模塊通常都有超級電容的配備，主要功能是儲存饋電開關跳閘裝置失電后的信息；電源模塊會設置用以判斷上級漏電跳閘動作的交流電輸出節點，而該模塊的另一作用是將DC24V(直流電壓24V)輸送給通信模塊。

(3)通信模塊一般可以任意選擇RS485(一種串行通信接口標準)通信、以太光纖通信等不同的通信方式，接入方式則主要為RS485口或以太網口，通信方式則主要依靠無線WiFi。

(4)漏電試驗接地電阻電路中，20 kΩ適用于1 140 V線路，11 kΩ電阻適用于660 V線路，確保能夠使各種電壓等級試驗需要得到滿足，且確保線路始終處于10 W以下的功率；在開出CPU核心單元的基礎之上，按照電壓等級的不同通過遙控命令來對不同電阻進行投切，開出要確保AC1 140 V(交流電壓140 V)的電壓條件得到滿足。

(5)供電線路與變壓器之間通常都會設置電磁啟動器、分饋開關電源等，確保裝置能夠獲得源源不斷的動力電源，而在選擇漏電試驗接地電阻前，必須充分考慮不同的供電電壓，最大可能滿足用戶要求。

(6)基于已有的硬件設計，還應合理布置變壓器T和各類插件，安裝與之相匹配的通信模塊。

4.2.2 軟件設計

借助遙控器便能夠遠程啟動漏電試驗功能。當啟動的信息傳遞給裝置后，在瓦斯閉鎖沒有接觸的前提下，結合電壓的實時參數可阻止漏電電阻的投切，但是一旦出現交流失電問題，就不再保持投入狀態，從而能夠將相關的試驗報告傳送給監控系統。在應用漏電電阻后如果發生交流失電現象，則宣告試驗結束，否則，當返回時經過延時定值t，試驗就不成功。邏輯關系如圖4所示。

圖4 漏電試驗箱漏電試驗邏輯關系

監控主機能直接通信到遠程漏電試驗箱，結合系統不同的接線方式可選擇配網104規約或MODBUS規約2種不同的通信規約。此外，保護器分別安裝在總饋和分饋開關上，電磁啟動器與漏電實驗箱之間則保持著更為密切的關聯。通常用S1、 S2表示遠程漏電試驗點，當啟動相關開關后，開始試驗的信息便會傳遞到遠程漏電試驗箱，試驗的相關數據會存儲到監控主機中。而其對電磁啟動器Q1信息的獲取則是借助系統運行的拓撲圖實現，漏電試驗報告最終得以生成。在此過程中，漏電保護跳閘的信息會傳送給監控計算機，后者向保護器發出關閘的要求，饋電開關此時被打開，送電結束。監控系統此時會形成相關報告。

5 遠程集控漏電試驗平臺監控系統軟件設計及現

場試驗結果

遠程集控漏電試驗平臺監控系統軟件結構框架如圖5所示。該圖展示的是遠程集控漏電試驗平臺的重要構成部件以及相應的構造流程，前置機將相關數據傳輸給井下裝置，而后者也會將相關數據輸送給前者，數據在交互中被分析處理，最終存儲到數據庫中。系統圖則主要在人機界面進行繪制，然后再開展遠程漏電試驗，而在告警窗中則會顯示來自井下裝置的SOE(Sequence of event，指事件順序記錄，記錄故障發生的時間和事件的類型和報告)。當試驗結束后，用戶便能夠得到由遠程漏電試驗結果所生成的漏電試驗報告。

圖5 遠程集控漏電試驗平臺監控系統軟件結構框架

監控主機能夠直接通信給遠程漏電試驗電阻箱，按照系統不同的接線方式選擇規約。

井下漏電試驗監控操作將指令傳送給監控主機，試驗人員借助遙控器便能夠對漏電保護試驗電阻箱進行遠程控制。當信息傳送到電阻箱后，電阻箱便開始動作，試驗結果會反饋到監控主機，由此得到最終的漏電試驗報告。監控主機按照系統運行圖負責進行總饋開關、分饋開關等信息收集，在此基礎上得到最終的試驗報告。在漏電保護作用下會出現跳閘，監控計算機在此時會要求保護器“保護復歸”，從而將閘口關閉，饋電開關與此同時被打開，送電過程到此結束。監控系統此時便會形成相關的報告。

反之，如果相關信息沒有傳送到監控計算機，或者總饋開關的相應信息傳送到監控計算機，此時漏電試驗綜合報告便會在監控系統形成，這也意味著試驗失敗，此時監控計算機會向用戶發送告警信息，以使后者能夠及時對保護器漏電定值作出相應調整，對電纜和裝置接地線路進行檢查。

筆者研究團隊將構建的遠程集控漏電試驗平臺2023年3月起在五陽煤礦進行了應用，工作人員在地面便能夠完成井下試驗，而其中的實現媒介就是電力監控系統。在漏電電阻箱控制試驗方面，投入相應的試驗電阻后，低壓保護漏電器便發揮作用，并通過跳閘的方式完成保護動作，監控計算機能得出相應報告，遠程合閘的結果證明了漏電保護的價值作用，預設目的已經實現，滿足了用戶使用需求。

6 結論

(1)根據當前煤礦供電電氣系統存在的問題，依托現有監控系統，以遠程漏電試驗為基礎，搭建了與之匹配的煤礦井下低壓供電系統遠程集控漏電試驗平臺。

(2)在該平臺進行漏電試驗的遠程操控時，集成了所有試驗電阻，被測線路啟動器閉合時，不用逐個閉合信號就能完成電路連接；在操作過程中僅靠遠程遙控器就能夠為試驗人員提供充分的安全保障。日常試驗在被測試線路的發射端進行，依靠1名專職電工便可完成，大幅降低了用人成本，避免了作業人員多次往返于負載系統和供電端，且事后還能追溯到整個操作過程；據此能夠更好地判斷系統的漏電故障，并及時進行檢修，煤礦每月的漏電試驗也完全可以據此實現。

(3)具體應用表明，煤礦井下低壓供電系統遠程集控漏電試驗平臺可以最大程度地節約相關人力物力成本，停送電所導致的安全風險大幅降低，現實應用價值較高。