国能新街能源冯国庭工程师：一种智能集成式多功能低压配电装置的设计与应用
安全用电是保证矿井安全生产的关键之一。井下环境条件恶劣，容易发生各种电气事故，需要采取各种预防措施和设置必要的保护装置，提高矿井供电的安全水平。
现井下综采工作面设备列车低压开关数量较多，主要有馈电开关、磁力起动器、照明综保。根据《煤矿安全规程》第四百五十九条规定：设备与墙壁之间应当留出0.5m以上的通道，各种设备之间留出0.8m以上的通道。各设备之间通过电缆连接，再加上安全通道距离，因此1节平板车最多放置4台开关，这大幅增加了设备列车平板车的数量。设备列车在运输时，由于长度和质量的增加，惯性增大，导致视线不清，不便控制，存在安全隐患。
部分综采工作面采用远程集中供电供液工艺，即在满足工作面设备供电半径和管路压降的前提下，采用“一点多面式”来满足多个工作面供电供液需求。此工艺虽然减少了工作面设备列车平板车数量，但是由于组合开关布置在工作面外，“三机”驱动电机、支架电液控电源无法由组合开关供电，反而增加了低压开关的数量。
根据现场使用需求，研制出一种高度集成式多功能永磁配电装置，该装置共有8回路，可将馈电开关、起动器、照明综保等开关组合集成在一起，作为一个整体配电装置，满足综采工作面及井下其他配电硐室的使用需求。
文章来源：《智能矿山》2023年第10期“智能供电”专栏
作者简介：冯国庭，工程师，现任国能新街能源有限责任公司煤矿筹备处供电主管
作者单位：国能神东煤炭集团有限责任公司；国能神华新街能源有限责任公司
引用格式：冯国庭.一种智能集成式多功能低压配电装置的设计与应用[J].智能矿山，2023，4（10）：54-58.
01 原有开关设计的安全技术缺陷
煤矿综采工作面原有馈电开关布置如图1所示。馈电开关采用固定式断路器结构，检修难度大；母线采用电缆连接，不仅增加接线工作量，而且占用空间大，标准化程度低；主回路没有隔离开关，断路器过热黏连时，存在严重安全隐患。基于此，现亟需对变电所馈电开关进行安全、智能升级研究。
图1 综采工作面原有馈电开关布置
综采工作面原有供电系统使用的馈电开关、磁力起动器、照明综保都是独立的设备（图2），设备之间需要通过电缆连接，才能形成配电系统，主要存在的缺点有：①开关占用空间大，增加配电硐室基建费用，增加综采工作面平板车数量及长度，给设备列车生产及检修带来不便；②各开关之间接线花费时间长，增加工人劳动成本及劳动量；③各开关电缆通过喇叭嘴连接，容易出现失爆，带来安全隐患，每月机电检查接线装置及防爆面维护任务量增加；④各开关之间采用电缆连接，增减开关时，工程量大，耗费时间长；⑤综采工作面设备列车移动后，开关数量多，局部接地极拆除安设频繁，工程量大；⑥当开关出现故障时，处理时间长，故障点不好判断，影响范围广，停电时间长；⑦现使用的馈电开关主回路没有隔离开关，停电检修时，主回路没有明显的断开点，当断路器出现黏连故障时，存在很大幅安全隐患。
图2 综采工作面原有供电系统示意
02 集成式配电装置结构及技术参数
随着矿井自动化程度的提高，新增交换机、摄像仪等设备数量增多，井下需要增设馈电的数量，既要满足现有使用需求新增馈电开关数量，又要缩小开关尺寸，存在困难。为解决上述问题，兼顾矿井长期规划发展，特研发一种智能集成式多功能低压配电装置。
智能集成式配电装置结构
智能集成式多功能永磁配电装置如图3所示。智能集成式低压配电装置采用上下两层积木式设计，在不影响检修维护的前提下缩小了开关外形尺寸，各回路可根据现场需求灵活配置内部馈电、电磁起动器、照明综保型号与数量，且各开关回路均可互换；用内部铜排母线替代外部连接电缆，接线方便，可杜绝繁琐的接线工艺及棘手的失爆问题；减少设备布置长度，节约空间，提高质量标准化。各回路采用模块式设计，当出现故障时可快速更换模块恢复供电。主回路铜牌母线可拆卸，能够实现总馈、分馈设置功能。铜排母线在独立的隔爆腔里，通过电动小车进退，动静触头接触或分开来实现明显的断开点，提高供电的安全性。
图3 智能集成式多功能永磁配电装置
（1）隔爆开关壳体采用选用Q345钢材，防爆面材质为含Cr金属。整机颜色为白色，采用佐敦漆，漆膜厚度≥200μm。为便于智能集成式配电装置运输以及搬运，在配电装置上部配有4个安全可靠的吊装环，吊装环应能承配电装置自身质量4倍以上的力，吊装环统一设置成红色，应有永久醒目标记，并在吊装环标明承载能力。底架采用撬型结构，便于井下检修。
（2）在配电装置左侧、右侧分别布置进线腔和出线腔，所有动力进出线配置适配的快速连接器（包括插头、插座）。输入电缆为2回，可同时满足660、1140V的2种电压等级。输出电缆可根据现场实际使用情况设置，可以是6回，也可以是7回。
（3）配电装置左侧配置14寸智能矿鸿操作系统工控屏，可显示各回路运行状态、故障查询和视频监控等功能，内置电气原理图和接线图，具备RS485、以太网接口，WiFi、5G等通信功能。
智能集成式配电装置技术参数
优化后综采工作面供电系统如图4所示。
图4 优化后综采工作面供电系统
输入电缆2回路，每回路入额定电流1000A。8回路智能集成式多功能永磁配电装置，其中1回作为进线馈电开关，当2个电压等级或两回路馈出线路时，进线馈电开关也可以是两回。输出负荷7回路，30A电磁起动器两回路、200A电磁起动器2回路、10kVA照明综保3回路。由于防爆腔体大小一致，各回路可完全互换，根据现场使用需求灵活配置馈电、电磁起动器、照明综保型号与数量，具有很好的环境适应性与匹配性。智能集成式配电装置具体技术参数见表1。
表1 智能集成式配电装置具体技术参数
03 智能集成式配电装置的系统功能
人脸识别停送电系统
人脸识别停送电系统主要由上位机和下位机2大部分组成，其中下位机以嵌入式图像处理设备载体，包含有人脸检测、通信、开关、休眠4个模块。上位机使用服务器，主要含有人脸识别模块、数据库模块。
下位机开关模块中的常闭点串接到馈电开关启动控制回路中，当停电后，通过人脸识别后，该常闭点变为常开点。送电时，只有执行上述操作者方可通过识别，将常开点变为常闭点。
下位机负责检测人脸并将检测到的人脸上传给上位机，在接收到上位机的控制指令之后，串联在启动回路中的常开点变为常闭点，具备合闸送电条件。长时间不断地检测人脸必然会增加其负荷与消耗，为了降低系统的损耗和设备的磨损，下位机设置了一个休眠模式，当连续n帧图片都不存在人脸时，下位机会进入休眠模式以降低系统功耗。此外，为了提高系统的容错性，下位机还设置了在线送电的功能，在人脸识别不起作用时，以管理员身份登录网站账号可以使用该功能直接命令下位机跳过人脸识别，将常开点转变为常闭点。
安全监控系统
所有回路内部配置高清摄像仪，实时监控动、触头插入/退出工作状态，通过井下通信网络传输至地面监控系统，可远程观察断路器小车接通与分断情况和动、静触头完好情况。
配电装置各回路小车配置温控探头，可实时监测并显示动、静触头温度，并可实现超温报警功能，报警温度可调。具备系统电压自动检测识别功能，输入1140V和660V2个等级电压时，可自动检测识别，当输入电压发生变化时，无需手动调整控制变压器输入端子。
UPS应急电源系统
在停电时能够实现远程数据传输和故障诊断，应急电源连续工作时长在6h以上；每个独立腔体内部配置应急照明，方便检修和观察开关内部情况。
机械电气闭锁装置
永磁断路器、接触器小车和防爆前腔门设有可靠的机械电气联锁装置，只有小车退至安全距离并且有安全的断开点时，才允许打开防爆前腔。在停电检修时，为防止永磁断路器、接触器小车误动作，小车与底架设有固定锁销，只有锁销解除后，小车才能动作。各回路具有机械电气闭锁装置及停电上锁功能。后侧母线腔与腔门具有电气联锁功能，利用电磁锁原理，当铜排母线带电时，电磁锁闭合，腔门无法打开；只有母线停电后，电磁锁断开，才能打开母线侧防爆腔门，防止操作人员误开盖造成触电事故。
安全防护装置
馈电开关在主回路停电情况下，永磁断路器小车自动退出至安全距离。设备外壳设有观察窗，能方便清晰地观察安全隔离断口的状态。
各回路停电后，小车退至安全距离，当开盖检修时，为防止操作人员手指误伸入静触头孔内，在静触头上方设有可靠的联动绝缘防护罩。当小车退出后，绝缘防护罩自动脱落，将静触头可靠防护，防止操作人员触碰静触头，为安全作业又增加一道可靠的防护屏障。
永磁模块
智能集成式多功能永磁配电装置井下应用设备如图5所示。断路器、接触器采用永磁一体式模块化机芯设计，具有体积小、质量轻、故障率低、合闸零延迟、分断速度快等优点。所有回路断路器、接触器、主控制器、电源部分、控制部分都采用模块化设计，各模块连接采用快速插接方式，在发生故障时，方便拆卸，可迅速恢复供电。
图5 智能集成式多功能永磁配电装置井下应用设备
自动排水安全防烧泵功能
起动器在原有水位自动控制功能的基础上，内置水位探测电路，远方探测回路为本质安全电路，和水位传感器配合使用，能可靠地自动控制水泵开停，且具有报警水位预警显示功能，便于实现无人值守。
起动器具有水流保护功能，当起动器用作控制水泵排水时，在排水管路出口侧安装流量、压力传感器，优化自动排水控制线路板，从而实现水泵不上水或排水管路堵塞等因素烧泵情况。对原有自动排水控制器线路板进行优化，在原线路板的基础上新增水泵出水口无水时自动停泵功能，并增加1~3min（时间可设置）无水流延时判断功能，避免高低水位传感器长期接地等故障造成水泵烧毁现象。无水流保护后10min等水泵温度降低后，故障自动复位。保护器具有历史故障查询功能，查看是否有过无水流保护等故障。
来源：智能矿山杂志
