基于物联网技术的煤矿弧光保护系统.pdf

第6期 基于物联网技术的煤矿弧光保护系统 唐骏王吉华 （国家能源集团宁夏煤业有限责任公司信息中心， 宁夏银川， 750001） 摘要 众多理论表明， 燃弧时间≤100ms时， 煤矿开关设备没有显著的损坏， 一般可以在检验绝缘 电阻后投入使用。 目前， 当防爆开关自身保护拒动时， 只能靠上一级开关跳闸断电， 此时已超过最佳动 作时间， 燃弧已对开关内部造成不可避免的损害， 只能靠上一级开关跳闸断电来保护该开关。 关键词 窄带物联网煤矿弧光保护 中图分类号 TD68文献标识码 A文章编号 2096-7691 （2020） 06-039-02 作者简介 唐骏 （1980-） ， 男， 工程师， 2010年毕业于宁夏大学， 现任职于国家能源集团宁夏煤业有限责任公司信息中心。 Tel 18095168260， E-mail tangjun 第18卷 第6期 VOL.18NO.6 2020年6月 Jun.2020 防爆开关是煤矿井下供电的关键设备， 当开关内 部发生短路故障， 保护装置失效拒动时， 会导致开关 内各部件剧烈拉弧起火、 造成财产损失， 对煤矿安全 生产造成影响。 目前， 当开关自身保护拒动时， 只能靠 上一级开关跳闸断电来保护该开关。 1系统设计思路及目标 该设计主要解决当防爆开关内部发生短路故障， 保护装置失效拒动燃弧的问题， 通过弧光保护单元能 够实时监测防爆开关内部光强度状态， 在判断光强度 超过阈值、 发生燃弧后自动跳闸， 通过LORA物联网 实时上传防爆开关燃弧告警和保护动作信息。 2系统架构和原理 煤矿井下建立LORA物联网络， 实时监测防爆开 关内部光强度状态， 实现防爆开关弧光保护， 如图1 所示。 防爆开关 分闸回路 无线 基站 弧光 监测软件 环网 弧光传感器 弧光保护单元 LORA 无线信号 图1煤矿弧光保护系统构架 系统主要有弧光保护单元 （带1个弧光传感器和 1个保护动作出口） 、 LORA无线基站、 弧光监测软件 组成。 弧光保护单元和弧光传感器通过强磁铁固定于 煤矿井下防爆开关下腔内， 采用电池供电， 保护动作 出口接入防爆开关的分闸回路； LORA无线基站可以 挂装或平放在弧光保护单元附近， 采用127V照明电 源供电， 通过4G或环网向弧光监测软件回传数据； 弧 光监测软件安装在计算机内， 监测开关燃弧状态， 记 录弧光动作事件。 LORA 物联网络能够支持 500m 以上距离的通 信， 减少了无线基站的安装数量。 整套系统安装方便， 施工简单， 且能够对现有防爆开关改造， 节约成本。 弧光保护单元通过LORA无线物联网与LORA 无线基站相连， LORA无线基站可通过井下现有4G 或光纤环网将弧光保护单元数据传送至地面的弧光 监测软件。 当开关内部接线或母排发生短路、 产生弧光后， 弧光传感器感应到弧光， 2ms内将超过阈值的光信号 传给弧光保护单元， 单元接收到超过阈值的光信号 后， 通过保护动作出口跳开防爆开关， 出口动作时间 一般在 80ms 内， 弧光保护整体动作时间不超过 100ms， 能够有效保护开关。 同时， 单元通过无线基站 向弧光监测软件上传保护动作事件。 2.1弧光保护单元 弧光保护单元由弧光传感器、 保护继电器 （保护 动作出口） 、 CPU、 电池、 LORA通信模块组成， 连接如 图2所示。 第6期唐骏等 基于物联网技术的煤矿弧光保护系统 弧光传感器 保护继电器 CPU 电池 LORA通信模块 图2弧光保护单元 2.2弧光保护单元系统连接， 如图3所示 无线基站1无线基站2无线基站n 弧光保护单元1弧光保护单元2弧光保护单元n 弧光监测软件 图3弧光保护单元系统连接 3系统工作方式 （1） 弧光保护单元第一次上电后， 申请加入LO⁃ RA 网络， LORA 基站接收到申请后， 记录该传感器 LORA模块的ID号， 同意该传感器入网。 （2） 传感器发出申请入网命令后， 等待基站答复， 若超时未收到同意入网答复， 进入休眠状态， 定时重 新发出入网命令， 若收到基站同意入网回复， 则进入 正常工作模式， 基站的同意入网回复中带有基站的 ID信息。 （3） 传感器进入正常工作模式后， 读取弧光传感 器探测的光强度值并通过LORA通信模块向对应基 站上传数据， 发送完数据后等待基站确认， 若传感器 上传数据未收到基站确认， 则重发一次， 并等待确认。 （4） 传感器连续4次上传数据 （含重发） 后未收到 基站确认， 则认为传感器与基站失去联络， 传感器需 重新申请入网。 （5） 弧光传感器光强度值超过设定的超过阈值， 弧光保护单元自动闭合保护继电器， 从而闭合防爆开 关分闸回路， 开关跳闸， 随后单元向基站上传保护动 作事件信息。 4应用前景与展望 利用弧光保护单元的低功耗、 速动性和物联网络 的远距离通信， 煤矿井下实时在线监测开关内部光强 度和快速弧光保护， 可以最大限度地减少弧光的危 害， 我们需要安全、 迅速地切断电弧光， 这样就可以在 发生弧光故障时， 保护操作人员不受伤害， 并且可以 降低财产损失。 参考文献 ［1］ C.A. Onate Bound state solutions of the Schrodinger equation with second Poschl-Teller like potential model and the vibra- tional partition function，mean energy and mean free energy ［J］ . Frontiers in Energy， Chinese Journal of Physics， 2016 （4） . ［2］王超.弧光保护在中低压开关柜中的应用研究.沈阳电气传动研究 所 （有限公司） 2019 （11） . ［3］胡强， 陈德.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应 用分析.泰豪科技股份有限公司， 2019 （11） . ［4］莫小梅.智能电网中物联网技术的运用 ［J］ .机电工程技术， 2018， 45 （10） 192-193， 218. ［5］刘建辉.可作为煤矿安全监控系统的子系统的电量采集器 ［J］ .现 代电子技术， 2003 （9） 42-43， 47. Coal Mine Arc Protection System Based on IoT Technology Tang Jun，Wang Jihua （CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.，Ltd.，Yinchuan，Ningxia，750001） AbstractIt is indicated in multiple theories that coal mine switchgears will not be significantly damaged when the arcing time is less than or equal to 100 ms，and it can generally be put into use after the insula⁃ tion resistance is tested. However，at present，when the explosion-proof switch resists self-protection，only the upper switch can trip the power off to protect the switch. At this time，it has far beyond the optimal ac⁃ tion time，and the arcing has caused irreparable damage to the interior of the switch. Key Wordsnarrowband IoT；coal mine；arc protection （收稿日期 2020-05-07责任编辑 马小军） 40