煤矿井下智能化中央变电所的研发与应用

煤矿井下智能化中央变电所的研发与应用
田旭东;董军;闵祥晟
【摘要】为贯彻落实山东省加快新旧动能转换重大工程,加快实施自动化、信息化、智能化建设,根据兖矿集团\"三化\"融合发展的指导意见,兴隆庄煤矿提出建设井下
智能化中央变电所的技术开发与应用项目.智能化变电所的研发与应用将整个变电
所的运行状态实时检测、故障分析、设备健康状态诊断、电能计量统计分析以及
停送电操作均可实时在线监控,提高变电所运行的可靠性和管理的高效性,真正实现
变电所的无人值守,对建设智能、高效、节能的现代化矿井具有重要的意义.
【期刊名称】《煤矿现代化》
【年(卷),期】2019(000)003
【总页数】3页(P148-150)
【关键词】智能化;柜内视频监控;安全生命周期管理
【作者】田旭东;董军;闵祥晟
【作者单位】兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿, 山东兖州 272100;兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿, 山东兖州 272100;兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿, 山东
兖州 272100
【正文语种】中文
【中图分类】TD611
1 概述
兴隆庄煤矿作为兖矿集团重点矿井之一，是中国自行设计和建造的第一座设计年产量300万t的大型矿井。

井下中央变电所作为生产供电的关键枢纽，是井下正常生产关键保障，但变电所设备老化、故障率高、自动化程度低，变电所日常巡检维护占用大量人力物力，给煤矿正常安全生产带来不利因素。

为贯彻落实山东省加快新旧动能转换重大工程，加快实施自动化、信息化、智能化建设，根据兖矿集团“三化”融合发展的指导意见，兴隆庄煤矿提出建设井下智能化中央变电所的技术开发与应用项目。

智能化变电所的研发与应用项目是将整个变电所的运行状态实时检测、故障分析、设备健康状态诊断、电能计量统计分析以及停送电操作均可实时在线监控，提高变电所运行的可靠性和管理的高效性，真正实现变电所的无人值守，对建设智能、高效、节能的现代化矿井具有重要的意义。

2 关键技术及创新点
智能化开关柜：开关柜的智能化设计，增加无线测温、弧光保护、断路器合分闸电气参数检测、断路器机械特性参数检测等成套传感器，增加断路器手车及接地刀电动操作功能。

智能化巡检：采用温控监测、烟雾探测、红外成像设备，实现变电所智能化巡检，可长距离移动式视频信号采集、智能追踪、报警、对讲、按指定路线巡回监控指定对象。

智能化管理：开发全生命周期管理系统，实时准确感知高压开关设备运行状态和健康状况，可提供元件寿命预测、故障诊断分析、电量数据统计分析等供电系统的全生命周期管理服务。

3 研究开发内容
3.1 智能型高压开关柜设计
智能型高压开关柜采用全电动操作系统，可实现断路器的远程摇进摇出、断路器的
远程合分、地刀的远程合分等功能。

具备无线测温、弧光保护、电量参数采集、断路器机械特性检测等功能。

全电动操作：接地刀的远程电动合分、断路器手车的远程摇进摇出、断路器的远程合分。

合分闸线圈的保护：通过电流、电压传感器，采集合分闸线圈电压、电流信号，对异常状况进行保护。

辅助电机保护：监测断路器储能电机、电动底盘车电机、电动地刀动作电机的回路电流，记录电机运行的电流及运行时间，当电机工作异常时，报警并选择性切断电机工作回路。

机械特性诊断：通过角位移传感器采集断路器动作的行程曲线，分析断路器的合分闸速度和触头开距，发现断路器存在的潜在问题。

通过弹簧拉力传感器采集断路器弹簧拉力的大小，据此推断设备使用寿命。

内部重要部位可视化：安装柜内摄像头，监视断路器触头进出、地刀合分到位状况，有效避免误操作，预防事故发生。

通过柜内摄像头监测，对柜内弧光现象进行快速判断，最快动作时间2.89ms，可提醒操作人员切除故障。

智能诊断系统与保护控制系统相互独立，增加以上功能并不影响开关柜固有的保护控制性能。

3.2 主要元件功能
3.2.1 辅助电控系统
辅助电控系统包含电动地刀控制和电动底盘车控制，可实现对驱动电机的控制和保护，具有就地和远方两种操作模式。

控制器可在驱动电机运转受阻（如安装不到位或机构卡死）达到保护条件时立即对电机制动，并逆向驱动电机解除闷车卡死状态，保护电机安全。

3.2.2 无线测温技术
基于SAW（声表面波）技术，采用无源无线的测温方式，有效的解决了传统测温红外、光纤及有源无线测温系统在安全性、可靠性、稳定性、实用性等方面存在的问题。

传感器无线无源，安装于断路器触臂表面时，不与带电体存在任何电气关联，不破坏断路器原有结构，对断路器绝缘性能、开断能力等不产生任何影响。

根据需要或关键位置点安装温度传感器，实时将关键点的温度传输传至在线监测后台系统，根据温度变化波形，预判可能发生故障的位置，提醒运维人员及时处理。

3.2.3 弧光保护系统
在柜内安装压力及光纤传感器作为电弧光的探测单元。

电弧光现象会产生强烈的光辐射，弧光传感器能够探测到这种光辐射，会立即发出动作信号给断路器。

弧光保护系统能快速切除故障，有效降低电弧光的危害，为设备和运行人员的安全提供可靠保护，最快动作出口仅2.89ms。

3.2.4 柜内视频监控
智能型高压开关柜断路器室、电缆室内放置有微型摄像头，可在后台显示设备上实时查看断路器进出、地刀合分状况。

3.2.5 开关柜核心部件-智能断路器
智能断路器集成各种参数传感器，在线监测控制器实时监测断路器运行参数与健康状态，增加的传感器不影响断路器固有机械特性。

3.3 智能型低压配电开关柜
以智能型低压断路器为核心元件，集控后台以通讯的形式向断路器智能模块发出动作指令，实现开关柜的“遥合”、“遥分”、“遥调”、“遥测”。

开关柜具备电压、电流等电量参数的实时监测；故障信息的分析、记录；通过检测断路器触头磨损情况分析断路器的使用寿命及健康状态。

具备绝缘监视功能，主检、分检配合使用，主检作为监视主导和后备保护，即可保证绝缘泄露时的动作可靠性，又可避免保护误动作。

3.4 智能巡检系统
采用变电所顶部吊装方式，环配电柜敷设巡检摄像头轨道。

智能巡检摄像头采用无缆接线方式，轨道摄像头采用安全蓄电池供电。

配合智能巡检监控系统，实现对全变电所智能巡检，并可将影音数据上传至系统后台处理分析。

图1 智能巡检系统摄像头
智能巡检系统具备以下功能及特点：
1）可挂载音视频采集设备、影音播放设备、温控检测设备、红外成像设备。

2）有长距离移动式视频信号采集功能。

3）重点监控对象地理位置记忆功能。

4）自动智能巡检监控对象。

5）智能追踪、报警、对讲、变速、规避障碍等。

6）误差精度不超过5mm。

7）可满足直线、环形、曲线、升降位置的需求。

8）可实现无电缆供电、信号的无线传输功能。

9）0～600s内按指定路线巡回监控指定对象。

10）视频智能识别，对监控区域的异常行为发出警报信号，并传输至后台集控室，实现变电所的无人值守。

11）具备视频存储回放功能，巡检资料可存储一个月。

12）配有可燃气体、烟雾传感器，为消防系统提供警报信息。

3.5 安全生命周期管理系统
安全生命周期管理系统作为智能化变电站的核心内容，具备以下功能：实时准确感知高压开关设备运行状态，反映高压开关健康状态，为变电所安全稳定运行提供可靠的技术支撑。

能够分析开关设备的动作时间、动作特性、储能时间、分合闸线圈电流、储能电机电流、底盘车电机电流等数据，针对不同故障模式研究其失效机理，
确定失效判定指标，分别开展基于现有状态评估的时效定量分析技术研究，并针对不同的失效机理建立失效物理模型。

对系统负荷的用电量采集、汇总、分析，绘制出电能计量曲线、用电量的日度、周度、月度报表。

为用户的生产管理、内部考核提供参考依据。

3.5.1 设备的健康管理
通过对设备运行数据进行采集、整理、分析，给出主要元件的使用寿命，避免因设备老化更换不及时导致的供电事故的发生。

3.5.2 故障诊断分析。

根据电流波形判断故障：
1）若出现图2中所示，线圈电流未切换，即无T5点，则说明开关已经发生拒合、拒分。

健康管理系统给出分析：可能由于脱扣器卡死、机构脱口部分卡滞及辅助开关自身故障原因导致。

图2 开关拒合、拒分电流图
2）若出现图3中所示，线圈电流切换时间很长，即T5大于100ms，健康管理系统给出提示：脱扣器出现卡涩现象，故障进一步发展，很有可能造成机构无法脱扣，开关不能实现分、合闸动作。

图3 开关不能实现分合电流图
3）图4为健康管理系统采集到的断路器分闸线圈电流波形与历史正常曲线比对图，可以看出，开关分闸时，辅助开关在切换时有较大的电流产生，可能出现触点融毁。

图4 分闸线圈波形对比图
根据波形数据分析，得出设备的故障原因，给出参考解决方案，保证重点部位的可靠运行和故障后的快速恢复。

4 结论
兴隆庄煤矿中央变电所基于井下需求和实际运行情况，结合智能型高压开关柜技术、智能巡检系统、安全生命周期管理系统等前沿科技，研发、设计井下中央变电所的
智能化改造。

实现变电所供电运行状态在线监测、分析，故障信息预诊断分析，电能计量数据的实时统计分析，开关设备的自动操作、变电所智能巡检，建设成安全可靠的智能型无人值守变电所。

智能化变电所的主要功能是健康管理，在现有智能供配电监控系统技术的基础上，增加高压开关设备主要器件运行参数及运行环境的检测模块，智能后台诊断系统将采集到的数据与大数据库中的数据进行对比分析，同时对采集的数据存储逐步建立自己的大数据库，筛选异常数据、分析数据变化趋势，给用户提供异常提示及维护指导。