礦井5G設(shè)備供電技術(shù)質(zhì)量分析

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摘要：本文主要研究煤礦井下5g設(shè)備的電源供電技術(shù)，再結(jié)合現(xiàn)有供電方式存在的問題進行綜合對比分析。與此同時，詳細地闡述了供電電源的設(shè)計方案，研究結(jié)果顯示，該方案主要包括電源大容量輸出的充放電管理方式、備用電池升壓方式、電源本安輸出保護方式及電源5G數(shù)據(jù)傳送等方式。研究結(jié)論以期為加快發(fā)展煤炭行業(yè)的無線通信網(wǎng)絡(luò)作進一步的鋪墊。

關(guān)鍵詞：5G；供電；電池管理；升壓管理；數(shù)據(jù)

引言

煤礦井中保持通訊的高可靠性以及平穩(wěn)可靠的全覆蓋運行，不僅可以提高整個礦井的工作效率，還可以對各種運輸設(shè)備和采煤機的一系列工況進行識別和診斷，以保障整個煤礦的安全運行。隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，5G技術(shù)將會被快速投入到各個行業(yè)，把5G技術(shù)運用到煤礦行業(yè)中是必然趨勢。5G將會被運用到煤礦井下工作面，使井下、井上實現(xiàn)無障礙對接，有利于無人采礦設(shè)備的運行，從而實現(xiàn)無人礦山，同時可以從根本上避免人員傷亡。但是，由于5G設(shè)備的高速傳輸和對更快網(wǎng)絡(luò)速度的需求等因素，5G設(shè)備的功能消耗普遍較高，這就需要更大容量的供電設(shè)備和更高速的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。本文重點對5G設(shè)備煤礦井下電源供電技術(shù)進行研究分析，并提供相應(yīng)的設(shè)計方案[1]。

1煤礦井下通訊設(shè)備的電源供電技術(shù)

煤礦井下通信設(shè)備的供電采用防爆和本安設(shè)計，這是國家《爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備標準》的規(guī)定，本質(zhì)安全型設(shè)計通常是指在正常工作或非計數(shù)故障條件下，所產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不能點燃爆炸性氣體，且條件較差的環(huán)境電路，本質(zhì)安全設(shè)計主要從電火花限制和熱效應(yīng)限制兩個方面進行。為了限制電火花的能量和熱效應(yīng)，需要采用低功耗設(shè)計，最大限度地提高電路中的電容、電感和一些需要電流控制的芯片。然而，能源輸出的限制直接導(dǎo)致了電力供應(yīng)的不足。目前煤礦使用的5G設(shè)備大多需要大容量電源，這就要求電源在能量輸出和本質(zhì)安全方面選擇一個平衡點，既能保證煤礦中5G設(shè)備的正常供電，又能保證電源的本質(zhì)安全輸出，尤其是“通電沖擊電流”的控制。如果能夠很好的控制“上電沖擊電流”，那么可以為更多的設(shè)備供電，防止大電流的沖擊。此新型設(shè)備還可以提高供電設(shè)備的使用效率，延長其使用壽命[2]。當前煤礦井下無線通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主要由礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機、礦用本安型轉(zhuǎn)換器、礦用隔爆兼本安型基站（分為有線基站和無線基站）等所組成。集團環(huán)網(wǎng)采用防爆與本質(zhì)安全網(wǎng)絡(luò)交換機進行挖掘，實現(xiàn)對地面與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，對地下接入5G礦山防爆與本質(zhì)安全基站。通過5G礦用隔爆本質(zhì)安全基站，實現(xiàn)了井下工作面、巷道、機電控制室等現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。同時，5G礦用隔爆本質(zhì)安全基站可接入5G無線攝像機、礦用本質(zhì)安全轉(zhuǎn)換器、5G通信設(shè)備、人員定位儀器，形成5G井下無線全數(shù)據(jù)交互和管理。

25G設(shè)備電源供電方案

5G設(shè)備地下電源主體由接線腔、電源主腔、備用電池開關(guān)腔和備用電池腔所組成。電源主體及組成部分均采用防爆外殼設(shè)計，輸入電源可兼容煤礦通用交流電源127V、1140V、660V三種，輸出本安電源為DC12V、DC24V兩路。數(shù)據(jù)通信接口借助RS485光纖通信、數(shù)字通信和5g無線通信，根據(jù)《煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》（煤礦安全監(jiān)察函[2016J5]）中傳輸數(shù)字化的要求，設(shè)計出5G設(shè)備供電總體方案如圖1。本安電源輸出、交流電源、數(shù)據(jù)信號交互均接入線腔體。接線腔體通過隔爆型電氣設(shè)備的接線端子將交流電源引至電源主腔，并通過隔爆型墻壁端子將本安電源輸出和數(shù)據(jù)信號交互與電源主腔連接。備用電池開關(guān)腔主要用于切斷備用電池的電源，備用電池腔用于電源電池的安裝和放置。設(shè)計方案中選用的變壓器為多抽頭變壓器，可將交流127V、660V和1140V三種交流電源轉(zhuǎn)換為交流220V電源。AC220V電壓首先要通過過流保護模塊，過流保護模塊的主要功能是當電源電流因后端電路短路等其他故障而迅速增大時，對電源進行保護。過流保護模塊主要由熔斷器組成。一旦電流超過熔斷器設(shè)定的最大額定電流，熔斷器將被燒毀，設(shè)備將停止供電。從《煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》（煤礦安全監(jiān)察函[2016J5]）抗電磁干擾要求可以看出，煤礦井下供電設(shè)備中設(shè)計安裝5G設(shè)備EMI濾波裝置，主要功能是減弱浪涌和群脈沖對供電設(shè)備的干擾。

24V直流電源分為三個通道，第一通道通過直流24V隔離電源模塊輸出24V隔離直流電源，24V隔離直流電源通過IB/IA本安輸出保護模塊將非本安輸出電源轉(zhuǎn)換為本安24V直流電源輸出；第二通道通過DC12V隔離電源模塊輸出12V隔離直流電源，12V隔離直流電源通過IB/IA本安輸出保護模塊將非本安輸出電源轉(zhuǎn)換為本安12V直流電源輸出；上述兩種本安電源適用于煤礦5G設(shè)備的供電，直流12V和24V基本能滿足煤礦大多數(shù)5G設(shè)備的供電需求；第三通道通過電路用于電池組充電，在交流電源斷開時為電池組提供反向供電，以確保第一通道電路DC24V和第二通道電路DC12V能夠獲得穩(wěn)定的輸出功率。根據(jù)《煤礦安全監(jiān)察函》下發(fā)的《煤礦安全監(jiān)察系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》[201615]的要求，設(shè)計方案如下：第三通道電源通過電池充放電管理模塊和電池保護模塊進行充放電，對五組串聯(lián)電池組進行充放電管理。在交流電源正常狀態(tài)時，電池充放電管理模塊對電池組進行充電操作；在交流電源斷開狀態(tài)時，電池充放電管理模塊對電池組進行放電操作。電池組采用3.2V/60AH大容量電池，可充分保證備用電源的大功率、長時間輸出。五組3.2V電池串聯(lián)輸出16V直流電。直流16V通過蓄電池升壓模塊輸出至直流24V，在交流電源故障的情況下，電池組將提供第一和第二本質(zhì)安全輸出電源[3]。主控單元主要負責直流輸出功率信息采集、數(shù)據(jù)通信、人機交互顯示、電池信息采集等，以上模塊均由DC3.3V伏模塊供電，電源主腔功能模塊設(shè)計方案如圖2所示。電源輸出信息采集單元通過AD620芯片采集DC24V和DC12V雙向輸出的電壓、電流信號，用于實時監(jiān)測5G設(shè)備的電源參數(shù)。由于目前井下設(shè)備布局，電源與5G設(shè)備之間的供電距離應(yīng)在2km、3km和6km水平進行管理，因此監(jiān)測5G設(shè)備消耗電流的重要性至關(guān)重要。由于電源為本質(zhì)安全輸出，且具有最大本質(zhì)安全參數(shù)的限制，通過監(jiān)測電流指標，可以實時掌握5G設(shè)備與電源之間的安全供電距離。主控單元向人機交互顯示單元發(fā)送電源輸出信息采集和電池信息采集信號。蓄電池信息采集信號是每個蓄電池的電壓、電流和溫度。人機交互顯示單元顯示5節(jié)電池的充放電電壓、充放電電流、各電池溫度、DC12V/DC24V輸出電壓值、輸出電流值和交/直流工作狀態(tài)。電池組保護功能主要由直流電源單體電池過充保護功能、直流電源單體電池過電壓保護功能、直流電源單體電池過電壓保護故障檢測功能、直流電源放電過流保護功能、直流電源輸出短路保護功能、直流電源電池信息采集電路開路保護功能等功能所組成。數(shù)據(jù)通訊單元用于上傳電源內(nèi)部的電池組信息、輸出功率信息和電源工作狀態(tài)，并可通過RS485、5G無線以及光纖鏈路進行數(shù)據(jù)交互。以上部分構(gòu)成了電源的主腔功能模塊。該模塊具有多種特點，包括比如后備電池供電、多電壓選擇、輸出電流大、電路數(shù)據(jù)傳輸和采集穩(wěn)定、抗電磁干擾能力強等特點。

3研究結(jié)論

綜上所述，本文詳細地介紹了有關(guān)煤礦井中5G設(shè)備供電電源的設(shè)計研究方案，經(jīng)過深入研究和分析，提出了有關(guān)5G供電數(shù)據(jù)的傳輸方式和途徑、大容量電源的輸出、備用電池升壓模式、電源本安輸出的保護模式以及充放電管理的模式等新型設(shè)計研究方案。進一步為加快發(fā)展煤炭行業(yè)的無線通信網(wǎng)絡(luò)提供堅實的鋪墊，數(shù)字通信必將作為一種新型的煤礦安全通信系統(tǒng)將在煤炭行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻：

[1]龔利霞.試論煤礦電氣設(shè)備與供電系統(tǒng)的保護[J].當代化工研究，2020(10):22-24.

[2]劉帥.提高煤礦供電安全可靠性的對策探討[J].智能城市，2019(19):10-12.

[3]李慶明.關(guān)于煤礦供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備的保護研究[J].中國設(shè)備工程，2018(14):33-35.

作者：魏曉庭 單位：潞安集團古城煤礦