基于物聯(lián)網(wǎng)礦用高壓智能保護(hù)開關(guān)柜研制

朱一夫，熊 偉，龐富春，李建軍，朱大可，歐青立，翁慶堅(jiān)

(1.湖南科通電氣設(shè)備制造有限公司， 湖南 湘潭市 411104；2.湖南科技大學(xué)， 湖南 湘潭市 411201；3.廣業(yè)云硫礦業(yè)采選公司， 廣東 云浮市 527343)

0 引 言

礦用高壓保護(hù)開關(guān)柜是露天礦山，井下礦山（非煤礦山），大型水利、電力工程的常用配電保護(hù)開關(guān)設(shè)備，適用于三相交流50 Hz、10 kV以下的配套設(shè)備，作為電動(dòng)挖掘機(jī)、牙輪鉆機(jī)等礦山裝備前置及分支干線的配電保護(hù)開關(guān)柜使用，控制高壓（6～10 kV)異步電機(jī)、變頻電機(jī)起動(dòng)停止，并向主電力變壓器供電。

隨著社會(huì)進(jìn)步，綠色礦山建設(shè)的需要，對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備的要求越來越高，特別是對(duì)礦山裝備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)化、可維護(hù)性能、智慧化的要求日益增高。傳統(tǒng)礦山用戶外高壓開關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境惡劣，由于過熱、絕緣性能降低等多方面的因素，開關(guān)柜長期不中斷運(yùn)行中故障出現(xiàn)幾率增加，安全隱患大，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)給企業(yè)帶來重大損失。

經(jīng)公司廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)礦山設(shè)備售后維護(hù)存在很多問題或不便，如設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)無法采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)無從知曉，造成設(shè)備維護(hù)不及時(shí)，出現(xiàn)本不該出現(xiàn)的故障；一旦出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障報(bào)警停機(jī)，即使制造企業(yè)立即安排售后工程師前往生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，一則礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)路途遙遠(yuǎn)，花費(fèi)的時(shí)間會(huì)影響設(shè)備及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行；二則現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員對(duì)設(shè)備的理解程度不一樣，遠(yuǎn)程電話溝通效果往往不理想，造成制造商工程師對(duì)設(shè)備故障原因及損壞部件判斷欠準(zhǔn)確，等到售后工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)查看后，可能需要取部件，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)時(shí)間延長。

充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成果，推進(jìn)傳統(tǒng)電力設(shè)備技術(shù)升級(jí)換代，促進(jìn)智慧電網(wǎng)的發(fā)展，也是智慧電網(wǎng)建設(shè)對(duì)電力設(shè)備設(shè)計(jì)制造的必然要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)礦用綜合保護(hù)開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)、增加網(wǎng)絡(luò)電路模塊并配置遠(yuǎn)程功能軟件，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、故障自動(dòng)分析與遠(yuǎn)程報(bào)警、電量計(jì)量、用戶遠(yuǎn)程查看與操控功能，提高開關(guān)柜的安全性能和智慧程度?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的礦用高壓智能綜合保護(hù)開關(guān)柜有利于礦山裝備的安全用電、安全生產(chǎn)、安全管理，對(duì)礦山智慧電網(wǎng)建設(shè)可以起到良好的促進(jìn)作用。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)

KGWB5-8C高壓戶外保護(hù)開關(guān)柜柜體外形為適合露天或井下（非煤礦山）不同環(huán)境而設(shè)計(jì)成封閉式結(jié)構(gòu)，柜體采用3 mm厚的冷軋鋼板彎制焊接而成，表面噴塑，柜體防護(hù)等級(jí)IP54，適用于室外雨雪、風(fēng)沙惡劣工況環(huán)境地區(qū)。柜頂頂面采用弧面形設(shè)計(jì)，雨天過后不會(huì)積水于頂部，塵土也不容易沉積于柜頂。同時(shí)，柜頂設(shè)置信號(hào)燈，黃色燈為開關(guān)柜帶電指示燈，黃色燈亮表示開關(guān)柜帶電；紅色燈為開關(guān)跳閘指示燈，紅色燈亮表示開關(guān)跳閘警示。

柜體正面設(shè)置有寬窄不一樣的兩扇門，窄門一是隔離開關(guān)操作室門，隔離開關(guān)操作室內(nèi)安裝有高壓帶電顯示器、隔離開關(guān)操作手柄、UPS電源、電氣聯(lián)鎖裝置等。隔離開關(guān)采用帶有出線接地刀的隔離開關(guān)，隔離拉斷高壓后，負(fù)載端接地，更安全，方便高壓放電。開關(guān)保護(hù)柜內(nèi)裝有UPS電源，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于8 ms，停電備用時(shí)間大于120 min，開關(guān)柜控制回路的靜態(tài)功率在100 W以下，控制回路約能保持3 h不掉電。沒有安裝UPS電源之前，當(dāng)高壓突然斷電、缺相、接地跳閘時(shí)，接地柜的控制電壓就會(huì)下降，從而影響綜合保護(hù)控制器、電度表等元件不能正常工作，控制器有時(shí)還記錄不到數(shù)據(jù)就停電了。沒有安裝UPS電源前，當(dāng)發(fā)生保護(hù)跳閘后，不知是什么原因跳閘，加裝UPS之后，高壓斷電后，或高壓跳閘后，控制回路3 h不停電，維護(hù)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)后能查看什么原因跳閘。UPS電源與電磁鎖配合使用才能打開高壓柜門。

柜體正面寬門是低壓室門，即顯示與控制室門，低壓室設(shè)置為前后兩區(qū)。顯示與控制室內(nèi)安裝有開關(guān)電源、觸摸顯示屏、溫濕度控制器、多功能電度表、微機(jī)保護(hù)控制器、遠(yuǎn)程無線通信模塊、啟動(dòng)停止按鈕等等。鑒于開關(guān)柜長期在戶外運(yùn)行，風(fēng)吹雨淋日曬，特別設(shè)計(jì)了柜門搭扣，搭扣采用不銹鋼材料制造，在柜門鎖損壞的情況下，可以臨時(shí)代替柜門鎖的作用，不至于因柜門鎖損壞而關(guān)不了柜門。

柜體左側(cè)面設(shè)置了隔離開關(guān)觀察窗。柜內(nèi)有照明燈，通過觀察窗，能清晰看到隔離開關(guān)的接觸狀態(tài)，檢修時(shí)可看到明顯的斷點(diǎn)，確保人身安全。

柜體后部是高壓室，室內(nèi)安裝有高壓隔離開關(guān)帶接地刀、高壓熔斷器、高壓真空斷路器、高壓電壓傳感器、高壓電流互感器、零序電流互感器、進(jìn)出線接線瓷瓶等等。柜體右側(cè)面設(shè)置了一扇高壓室門，方便安裝高壓器件。柜體后面設(shè)置了高壓器件室門，便于高壓器件接線與安裝。同時(shí)在柜體后面設(shè)置了2或3個(gè)柜后電纜接線筒，一個(gè)用于進(jìn)線，另一個(gè)用于出線，備用一個(gè)出線。高壓室柜門裝有安全電氣聯(lián)鎖，電磁鎖，保證柜內(nèi)有高壓時(shí)，兩張高壓柜門是打不開的，具有五防功能，必需將柜外電源切斷才能打開高壓柜門。

開關(guān)柜頂部設(shè)有吊勾，底部設(shè)有叉車孔，方便用叉車移動(dòng)。同時(shí)，在開關(guān)柜底部加裝了移動(dòng)雪橇底座，方便在礦區(qū)短距離轉(zhuǎn)移場(chǎng)地。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)高壓保護(hù)柜監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓保護(hù)柜監(jiān)控系統(tǒng)功能

公司針對(duì)礦用設(shè)備使用過程中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)問題和維護(hù)困難，進(jìn)行了前期廣泛的研究，將互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)技術(shù)應(yīng)用到礦山裝備電控設(shè)備中，在高壓開關(guān)柜等傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息采集與無線傳輸硬件設(shè)備及應(yīng)用軟件，構(gòu)建基于云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控與管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷功能，提升高壓保護(hù)開關(guān)柜等礦山設(shè)備的智能化程度。

礦用設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是將互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合，將設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送用戶端。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)備實(shí)時(shí)在線運(yùn)行監(jiān)控，故障預(yù)警和遠(yuǎn)程診斷。

基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓保護(hù)開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是自動(dòng)采集開關(guān)柜內(nèi)電氣參數(shù)、存儲(chǔ)分析電氣參數(shù)、通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電氣參數(shù)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或手機(jī)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)電氣參數(shù)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)參數(shù)偏差大小，自動(dòng)報(bào)警或跳閘保護(hù)，并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

柜內(nèi)保護(hù)控制器采用交流采樣和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)(高壓電動(dòng)機(jī)、變壓噐等)的過載保護(hù)、啟動(dòng)內(nèi)速斷、啟動(dòng)后速斷、高壓接地(漏電)保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、電源側(cè)的電網(wǎng)斷相保護(hù)、電源低電壓保護(hù)、電源過電壓保護(hù)以及負(fù)載用電計(jì)量等功能。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)高壓保護(hù)開關(guān)柜遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓保護(hù)開關(guān)柜遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。其核心是開關(guān)柜內(nèi)智能控制器。礦用開關(guān)柜遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集及發(fā)送系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、云服務(wù)控制系統(tǒng)、用戶管理與查看系統(tǒng)構(gòu)成。柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集及發(fā)送系統(tǒng)主要包括開關(guān)柜的地理位置、溫度、濕度、高壓電流、高壓電壓等運(yùn)行狀態(tài)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。云服務(wù)控制系統(tǒng)主要利用云網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)研發(fā)的軟件程序。用戶管理與查看系統(tǒng)包括手機(jī)用戶APP和桌面計(jì)算機(jī)用戶程序，該處用戶包括設(shè)備生產(chǎn)廠家和設(shè)備使用單位。

圖1 礦用高壓智能保護(hù)開關(guān)柜遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)采集的礦用保護(hù)開關(guān)柜運(yùn)行數(shù)據(jù)，上傳到云服務(wù)器，再通過云服務(wù)器上的高壓保護(hù)開關(guān)柜遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)將數(shù)據(jù)通過WEB發(fā)布出來，設(shè)備生產(chǎn)廠家和設(shè)備使用企業(yè)等客戶端，則可通過特定網(wǎng)址或域名WEB訪問云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，從而查看設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)了解開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 遠(yuǎn)程手機(jī)APP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

手機(jī)已成為人們隨身攜帶的必備物件，其提供給人們的方便已不容質(zhì)疑。人們可以利用手機(jī)APP隨時(shí)隨地查看需要監(jiān)控的對(duì)象。手機(jī)APP接收并顯示服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。APP與主控制器的通信采用 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)程序框架 C/S(客戶端/服務(wù)器)模式，通過監(jiān)聽/連接的方式實(shí)現(xiàn)。手機(jī)遠(yuǎn)程應(yīng)用程序APP可隨時(shí)隨地運(yùn)行并獲得云服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過前期廣泛調(diào)研，手機(jī)高壓柜APP需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有，礦用高壓保護(hù)開關(guān)柜所控制保護(hù)礦山裝備的運(yùn)行參數(shù)和柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程在線查詢、顯示，高壓柜設(shè)備故障圖像及聲音報(bào)警信息查詢，歷史數(shù)據(jù)查詢及參數(shù)分析。需要時(shí)，實(shí)現(xiàn)高壓柜現(xiàn)場(chǎng)位置定位。

遠(yuǎn)程監(jiān)控采用WEB平臺(tái)方案實(shí)現(xiàn)。使用手機(jī)查詢礦用高壓開關(guān)柜數(shù)據(jù)如同訪問一般網(wǎng)頁。但設(shè)置了一個(gè)登錄面。登陸頁主要目的是提供特定客戶登錄入口，一般是采用IE瀏覽器，通過IP地址或域名進(jìn)入。進(jìn)入登錄頁后，輸入授權(quán)的用戶名和密碼后進(jìn)入高壓保護(hù)柜監(jiān)控首頁。進(jìn)入監(jiān)控界面后，可以查詢高壓保護(hù)柜的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)?？梢圆樵冿@示高壓保護(hù)柜的正常運(yùn)行所需各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，比如電流大小，電壓大小，有功功率大小等等。根據(jù)需求，可查詢高壓保護(hù)柜近 1 h、全天、全月的數(shù)據(jù)，同時(shí)可提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)，方便客戶二次利用數(shù)據(jù)。

3 開關(guān)柜運(yùn)行與檢測(cè)結(jié)果

公司自主研發(fā)生產(chǎn)的新型基于物聯(lián)網(wǎng)礦用智能保護(hù)開關(guān)柜如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了基于云服務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能，提高了傳統(tǒng)高壓柜的網(wǎng)絡(luò)化和智能化，并通過了國家安標(biāo)定型檢驗(yàn)礦安認(rèn)證。該高壓保護(hù)開關(guān)柜能頻繁操作，電動(dòng)分合閘，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)及計(jì)量檢測(cè)等功能。

圖2 KGWB5-8C礦用高壓智能保護(hù)開關(guān)柜

該保護(hù)開關(guān)柜可以作為國內(nèi)外露天礦山裝備及井下礦山（非煤礦山）裝備的單臺(tái)或者多臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的綜合保護(hù)及開關(guān)的控制使用。也可作為礦山（6～10 kV）新建采區(qū)分支線路的供電開關(guān)控制和綜合保護(hù)使用。還可出口作為“一帶一路”沿線國家露天采礦設(shè)備及井下（非煤礦山）采礦設(shè)備的開關(guān)控制和綜合保護(hù)使用。經(jīng)陜西省金堆城鉬業(yè)股份有限公司露天礦、江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限公司、吉林大黑山鉬業(yè)股份有限公司、黑龍江龍煤集團(tuán)鶴崗新嶺礦、內(nèi)蒙包頭石寶鐵礦等國內(nèi)多家礦山以及在蒙古、巴勒斯坦等國的多家礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量長時(shí)間可靠應(yīng)用，運(yùn)行狀態(tài)良好，用戶滿意。特別是2018年10月，公司KGWB5-8C礦用高壓保護(hù)開關(guān)柜在陜西華山國際大酒店召開的全國露天采礦設(shè)備系統(tǒng)接地與系統(tǒng)保護(hù)會(huì)暨金堆城露天鉬礦現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)地考察活動(dòng)中，得到參加活動(dòng)的代表和用戶好評(píng)。