礦井5G設備供電技術質量分析

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摘要：本文主要研究煤礦井下5g設備的電源供電技術，再結合現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計方案，研究結果顯示，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數據傳送等方式。研究結論以期為加快發展煤炭行業的無線通信網絡作進一步的鋪墊。

關鍵詞：5G；供電；電池管理；升壓管理；數據

引言

煤礦井中保持通訊的高可靠性以及平穩可靠的全覆蓋運行，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網的高速發展，5G技術將會被快速投入到各個行業，把5G技術運用到煤礦行業中是必然趨勢。5G將會被運用到煤礦井下工作面，使井下、井上實現無障礙對接，有利于無人采礦設備的運行，從而實現無人礦山，同時可以從根本上避免人員傷亡。但是，由于5G設備的高速傳輸和對更快網絡速度的需求等因素，5G設備的功能消耗普遍較高，這就需要更大容量的供電設備和更高速的網絡設備。本文重點對5G設備煤礦井下電源供電技術進行研究分析，并提供相應的設計方案[1]。

1煤礦井下通訊設備的電源供電技術

煤礦井下通信設備的供電采用防爆和本安設計，這是國家《爆炸性環境用電氣設備標準》的規定，本質安全型設計通常是指在正常工作或非計數故障條件下，所產生的電火花和熱效應不能點燃爆炸性氣體，且條件較差的環境電路，本質安全設計主要從電火花限制和熱效應限制兩個方面進行。為了限制電火花的能量和熱效應，需要采用低功耗設計，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致了電力供應的不足。目前煤礦使用的5G設備大多需要大容量電源，這就要求電源在能量輸出和本質安全方面選擇一個平衡點，既能保證煤礦中5G設備的正常供電，又能保證電源的本質安全輸出，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備供電，防止大電流的沖擊。此新型設備還可以提高供電設備的使用效率，延長其使用壽命[2]。當前煤礦井下無線通訊系統的網絡主要由礦用隔爆兼本安型網絡交換機、礦用本安型轉換器、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。集團環網采用防爆與本質安全網絡交換機進行挖掘，實現對地面與監控中心的數據交換，對地下接入5G礦山防爆與本質安全基站。通過5G礦用隔爆本質安全基站，實現了井下工作面、巷道、機電控制室等現場無線網絡的全覆蓋。同時，5G礦用隔爆本質安全基站可接入5G無線攝像機、礦用本質安全轉換器、5G通信設備、人員定位儀器，形成5G井下無線全數據交互和管理。

25G設備電源供電方案

5G設備地下電源主體由接線腔、電源主腔、備用電池開關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。數據通信接口借助RS485光纖通信、數字通信和5g無線通信，根據《煤礦安全監測系統升級改造技術方案》（煤礦安全監察函[2016J5]）中傳輸數字化的要求，設計出5G設備供電總體方案如圖1。本安電源輸出、交流電源、數據信號交互均接入線腔體。接線腔體通過隔爆型電氣設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據信號交互與電源主腔連接。備用電池開關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定的最大額定電流，熔斷器將被燒毀，設備將停止供電。從《煤礦安全監測系統升級改造技術方案》（煤礦安全監察函[2016J5]）抗電磁干擾要求可以看出，煤礦井下供電設備中設計安裝5G設備EMI濾波裝置，主要功能是減弱浪涌和群脈沖對供電設備的干擾。

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設備的供電，直流12V和24V基本能滿足煤礦大多數5G設備的供電需求；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能夠獲得穩定的輸出功率。根據《煤礦安全監察函》下發的《煤礦安全監察系統升級改造技術方案》[201615]的要求，設計方案如下：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，對五組串聯電池組進行充放電管理。在交流電源正常狀態時，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、數據通信、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，用于實時監測5G設備的電源參數。由于目前井下設備布局，電源與5G設備之間的供電距離應在2km、3km和6km水平進行管理，因此監測5G設備消耗電流的重要性至關重要。由于電源為本質安全輸出，且具有最大本質安全參數的限制，通過監測電流指標，可以實時掌握5G設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。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。數據通訊單元用于上傳電源內部的電池組信息、輸出功率信息和電源工作狀態，并可通過RS485、5G無線以及光纖鏈路進行數據交互。以上部分構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、電路數據傳輸和采集穩定、抗電磁干擾能力強等特點。

3研究結論

綜上所述，本文詳細地介紹了有關煤礦井中5G設備供電電源的設計研究方案，經過深入研究和分析，提出了有關5G供電數據的傳輸方式和途徑、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計研究方案。進一步為加快發展煤炭行業的無線通信網絡提供堅實的鋪墊，數字通信必將作為一種新型的煤礦安全通信系統將在煤炭行業得到廣泛應用。

參考文獻：

[1]龔利霞.試論煤礦電氣設備與供電系統的保護[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.關于煤礦供電系統和電氣設備的保護研究[J].中國設備工程，2018(14):33-35.

作者：魏曉庭 單位：潞安集團古城煤礦