矿井5G设备供电技术质量分析

摘要：本文主要研究煤矿井下5G设备的电源供电技术，再结合现有供电方式存在的问题进行综合对比分析。与此同时，详细地阐述了供电电源的设计方案，研究结果显示，该方案主要包括电源大容量输出的充放电管理方式、备用电池升压方式、电源本安输出保护方式及电源5G数据传送等方式。研究结论以期为加快发展煤炭行业的无线通信网络作进一步的铺垫。

关键词：5G；供电；电池管理；升压管理；数据

引言

煤矿井中保持通讯的高可靠性以及平稳可靠的全覆盖运行，不仅可以提高整个矿井的工作效率，还可以对各种运输设备和采煤机的一系列工况进行识别和诊断，以保障整个煤矿的安全运行。随着人工智能与互联网的高速发展，5G技术将会被快速投入到各个行业，把5G技术运用到煤矿行业中是必然趋势。5G将会被运用到煤矿井下工作面，使井下、井上实现无障碍对接，有利于无人采矿设备的运行，从而实现无人矿山，同时可以从根本上避免人员伤亡。但是，由于5G设备的高速传输和对更快网络速度的需求等因素，5G设备的功能消耗普遍较高，这就需要更大容量的供电设备和更高速的网络设备。本文重点对5G设备煤矿井下电源供电技术进行研究分析，并提供相应的设计方案[1]。

1煤矿井下通讯设备的电源供电技术

煤矿井下通信设备的供电采用防爆和本安设计，这是国家《爆炸性环境用电气设备标准》的规定，本质安全型设计通常是指在正常工作或非计数故障条件下，所产生的电火花和热效应不能点燃爆炸性气体，且条件较差的环境电路，本质安全设计主要从电火花限制和热效应限制两个方面进行。为了限制电火花的能量和热效应，需要采用低功耗设计，最大限度地提高电路中的电容、电感和一些需要电流控制的芯片。然而，能源输出的限制直接导致了电力供应的不足。目前煤矿使用的5G设备大多需要大容量电源，这就要求电源在能量输出和本质安全方面选择一个平衡点，既能保证煤矿中5G设备的正常供电，又能保证电源的本质安全输出，尤其是“通电冲击电流”的控制。如果能够很好的控制“上电冲击电流”，那么可以为更多的设备供电，防止大电流的冲击。此新型设备还可以提高供电设备的使用效率，延长其使用寿命[2]。当前煤矿井下无线通讯系统的网络主要由矿用隔爆兼本安型网络交换机、矿用本安型转换器、矿用隔爆兼本安型基站（分为有线基站和无线基站）等所组成。集团环网采用防爆与本质安全网络交换机进行挖掘，实现对地面与监控中心的数据交换，对地下接入5G矿山防爆与本质安全基站。通过5G矿用隔爆本质安全基站，实现了井下工作面、巷道、机电控制室等现场无线网络的全覆盖。同时，5G矿用隔爆本质安全基站可接入5G无线摄像机、矿用本质安全转换器、5G通信设备、人员定位仪器，形成5G井下无线全数据交互和管理。

25G设备电源供电方案

5G设备地下电源主体由接线腔、电源主腔、备用电池开关腔和备用电池腔所组成。电源主体及组成部分均采用防爆外壳设计，输入电源可兼容煤矿通用交流电源127V、1140V、660V三种，输出本安电源为DC12V、DC24V两路。数据通信接口借助RS485光纤通信、数字通信和5g无线通信，根据《煤矿安全监测系统升级改造技术方案》（煤矿安全监察函[2016J5]）中传输数字化的要求，设计出5G设备供电总体方案如图1。本安电源输出、交流电源、数据信号交互均接入线腔体。接线腔体通过隔爆型电气设备的接线端子将交流电源引至电源主腔，并通过隔爆型墙壁端子将本安电源输出和数据信号交互与电源主腔连接。备用电池开关腔主要用于切断备用电池的电源，备用电池腔用于电源电池的安装和放置。设计方案中选用的变压器为多抽头变压器，可将交流127V、660V和1140V三种交流电源转换为交流220V电源。AC220V电压首先要通过过流保护模块，过流保护模块的主要功能是当电源电流因后端电路短路等其他故障而迅速增大时，对电源进行保护。过流保护模块主要由熔断器组成。一旦电流超过熔断器设定的最大额定电流，熔断器将被烧毁，设备将停止供电。从《煤矿安全监测系统升级改造技术方案》（煤矿安全监察函[2016J5]）抗电磁干扰要求可以看出，煤矿井下供电设备中设计安装5G设备EMI滤波装置，主要功能是减弱浪涌和群脉冲对供电设备的干扰。

24V直流电源分为三个通道，第一通道通过直流24V隔离电源模块输出24V隔离直流电源，24V隔离直流电源通过IB/IA本安输出保护模块将非本安输出电源转换为本安24V直流电源输出；第二通道通过DC12V隔离电源模块输出12V隔离直流电源，12V隔离直流电源通过IB/IA本安输出保护模块将非本安输出电源转换为本安12V直流电源输出；上述两种本安电源适用于煤矿5G设备的供电，直流12V和24V基本能满足煤矿大多数5G设备的供电需求；第三通道通过电路用于电池组充电，在交流电源断开时为电池组提供反向供电，以确保第一通道电路DC24V和第二通道电路DC12V能够获得稳定的输出功率。根据《煤矿安全监察函》下发的《煤矿安全监察系统升级改造技术方案》[201615]的要求，设计方案如下：第三通道电源通过电池充放电管理模块和电池保护模块进行充放电，对五组串联电池组进行充放电管理。在交流电源正常状态时，电池充放电管理模块对电池组进行充电操作；在交流电源断开状态时，电池充放电管理模块对电池组进行放电操作。电池组采用3.2V/60AH大容量电池，可充分保证备用电源的大功率、长时间输出。五组3.2V电池串联输出16V直流电。直流16V通过蓄电池升压模块输出至直流24V，在交流电源故障的情况下，电池组将提供第一和第二本质安全输出电源[3]。主控单元主要负责直流输出功率信息采集、数据通信、人机交互显示、电池信息采集等，以上模块均由DC3.3V伏模块供电，电源主腔功能模块设计方案如图2所示。电源输出信息采集单元通过AD620芯片采集DC24V和DC12V双向输出的电压、电流信号，用于实时监测5G设备的电源参数。由于目前井下设备布局，电源与5G设备之间的供电距离应在2km、3km和6km水平进行管理，因此监测5G设备消耗电流的重要性至关重要。由于电源为本质安全输出，且具有最大本质安全参数的限制，通过监测电流指标，可以实时掌握5G设备与电源之间的安全供电距离。主控单元向人机交互显示单元发送电源输出信息采集和电池信息采集信号。蓄电池信息采集信号是每个蓄电池的电压、电流和温度。人机交互显示单元显示5节电池的充放电电压、充放电电流、各电池温度、DC12V/DC24V输出电压值、输出电流值和交/直流工作状态。电池组保护功能主要由直流电源单体电池过充保护功能、直流电源单体电池过电压保护功能、直流电源单体电池过电压保护故障检测功能、直流电源放电过流保护功能、直流电源输出短路保护功能、直流电源电池信息采集电路开路保护功能等功能所组成。数据通讯单元用于上传电源内部的电池组信息、输出功率信息和电源工作状态，并可通过RS485、5G无线以及光纤链路进行数据交互。以上部分构成了电源的主腔功能模块。该模块具有多种特点，包括比如后备电池供电、多电压选择、输出电流大、电路数据传输和采集稳定、抗电磁干扰能力强等特点。

3研究结论

综上所述，本文详细地介绍了有关煤矿井中5G设备供电电源的设计研究方案，经过深入研究和分析，提出了有关5G供电数据的传输方式和途径、大容量电源的输出、备用电池升压模式、电源本安输出的保护模式以及充放电管理的模式等新型设计研究方案。进一步为加快发展煤炭行业的无线通信网络提供坚实的铺垫，数字通信必将作为一种新型的煤矿安全通信系统将在煤炭行业得到广泛应用。

参考文献：

[1]龚利霞.试论煤矿电气设备与供电系统的保护[J].当代化工研究，2020(10):22-24.

[2]刘帅.提高煤矿供电安全可靠性的对策探讨[J].智能城市，2019(19):10-12.

[3]李庆明.关于煤矿供电系统和电气设备的保护研究[J].中国设备工程，2018(14):33-35.

作者：魏晓庭 单位：潞安集团古城煤矿