千米深井備用電源安全運行技術(shù)的研究

張 震

（山東唐口煤業(yè)有限公司機電科，山東 濟寧 272055）

1 引言

安全供電是國民經(jīng)濟建設(shè)的需要，電網(wǎng)瓦解和大面積停電事故不僅會造成巨大經(jīng)濟損失，影響人民正常生活，還會危及公共安全，造成嚴(yán)重的社會損失[1]。應(yīng)急電源是保障現(xiàn)代社會人們生產(chǎn)生活安全的重要設(shè)施，用于防止因電力突然中斷而造成的人身傷害及經(jīng)濟損失。現(xiàn)行的《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》和《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》嚴(yán)格規(guī)定：一級負(fù)荷應(yīng)由兩個電源供電，當(dāng)一個電源故障時，另一個電源不致?lián)p壞而正常供電；對于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除上述兩個電源外，還須增設(shè)應(yīng)急電源[2]。醫(yī)療、消防、金融和通訊等重要機構(gòu)，都須有應(yīng)急電源以備不時之需[3-5]。特別是煤礦生產(chǎn)企業(yè)，幾乎所有煤礦生產(chǎn)裝備都是直接或間接以電力為動力[6]，且目前我國淺層煤礦資源已經(jīng)不足以滿足需求，越來越多的煤礦開始了深部煤炭資源開采，礦井越來越深，“千米深井”逐漸增多[7]。當(dāng)?shù)V井停電造成提升設(shè)備無法運行時，井下作業(yè)人員須沿梯子間上井，特別對于深度超過800m的深井，停電時井下作業(yè)人員很難爬到地面；對于高瓦斯、“雙突”礦井，若停電將造成通風(fēng)設(shè)備和瓦斯抽采設(shè)備無法運行，勢必導(dǎo)致井下瓦斯聚集，嚴(yán)重時發(fā)生瓦斯爆炸；對于涌水量大的礦井，若停電將造成井下排水設(shè)備無法運行，可能發(fā)生淹井；這些災(zāi)難性后果將對井下作業(yè)人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅，國家財產(chǎn)蒙受巨大損失。

綜上所述，對于礦井特別是千米深井的煤礦，亟待為副井提升機、主通風(fēng)機及其它重要場所配備應(yīng)急電源。目前國內(nèi)外對通訊、建筑和消防等部門停電后的應(yīng)急措施進行了廣泛深入研究[8-10]，但對煤礦特別是千米深井煤礦長時間停電的應(yīng)急方案還缺乏深入的研究。

山東唐口煤業(yè)有限公司是一座現(xiàn)代化大型礦井，主、副、風(fēng)三個立井均超過千米，當(dāng)出現(xiàn)整個礦井停電事故時，井下工作人員很難從梯子間撤離，將嚴(yán)重威脅礦工的生命安全。為此，建設(shè)了一套3000kW柴油發(fā)電機組作為礦井的應(yīng)急備用電源。應(yīng)急電源系統(tǒng)的啟動大大減少了重大事故發(fā)生的可能性，避免了井下人員傷亡和國家財產(chǎn)損失，具有極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 千米深井應(yīng)急備用電源的要求

當(dāng)出現(xiàn)整個礦井停電事故時，唐口煤業(yè)公司千米深井應(yīng)急備用電源將起到如下作用：

（1）為副井提升系統(tǒng)提供直供備用電源；

（2）通過礦井地面變電站為主通風(fēng)機、應(yīng)急調(diào)度等提供備用電源。

由于煤礦副井提升機處于循環(huán)變化的運行狀態(tài)，作為應(yīng)急負(fù)荷必須滿足如下要求：

（1）單臺電機功率較大，唐口煤業(yè)公司副井提升機額定功率為1800kW，額定電樞電壓為900V，需配置大容量發(fā)電機組。

（2）副井提升機為循環(huán)運行，一個運行周期包括起動-加速-勻速-減速-停止五種運行狀態(tài)，應(yīng)急供電電源相應(yīng)存在由空載-增負(fù)荷-滿載-減負(fù)荷-空載的循環(huán)運行狀態(tài)。

（3）副井提升機減速時，通過降低電樞電壓來實現(xiàn)減速制動，當(dāng)降低電樞電壓時，會使電樞感應(yīng)電勢超過電樞電壓，提升機由電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機運行狀態(tài)，向10kV母線回饋電能。因此，必須增加逆功率吸收裝置來消耗副井提升機向電網(wǎng)回饋的電能，避免應(yīng)急電源發(fā)電機組跳閘。

當(dāng)整個礦井出現(xiàn)長時間停電故障時，應(yīng)急電源除了保證副井提升機正常運行外，還需要保證礦井調(diào)度及生活用電，因此還要考慮200kW的其它應(yīng)急負(fù)荷。

3 應(yīng)急備用電源類型的選定

通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)可供選用的應(yīng)急電源主要有下列三種：（1）柴油發(fā)電機組；（2）不間斷電源（UPS）；（3）應(yīng)急電源（EPS）。

不間斷電源（UPS）和普通應(yīng)急電源（EPS）雖然具有安裝方便、綜合造價低、壽命長、自動化程度高等優(yōu)點，但普遍功率小、應(yīng)急供電持續(xù)時間較短。因此，并不適合作為大型礦井的應(yīng)急備用電源。

考慮到唐口煤業(yè)公司的應(yīng)急負(fù)荷容量大，且為沖擊性負(fù)荷。經(jīng)反復(fù)論證，決定采用柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源。具有以下優(yōu)點：（1）適應(yīng)性較強；（2）過載能力強；（3）起動迅速；（4）良好的調(diào)壓性能；（5）操作維護簡單、方便。

此外，當(dāng)副井提升機電動機由電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機狀態(tài)時，副井提升機將向柴油發(fā)電機回饋電能，柴油發(fā)電機的逆功率保護動作，使應(yīng)急電源失去作用。為解決副井提升機的電能反饋問題，本項目采用逆功率吸收裝置。當(dāng)逆功率控制器檢測到副井提升機向電網(wǎng)回饋電能時，將起動逆功率吸收裝置，來消耗提升機電機發(fā)出的電能。通過調(diào)研，目前市場上已有逆功率吸收裝置的成熟產(chǎn)品，并有現(xiàn)場運行經(jīng)驗，裝置性能穩(wěn)定。

4 應(yīng)急備用電源系統(tǒng)構(gòu)成及試運行

作為煤礦千米深井應(yīng)急電源系統(tǒng)核心的發(fā)電機組設(shè)備主要包括“柴油發(fā)電機組”、“輔助柴油發(fā)電機組”及“輔助設(shè)施”。

（1）柴油發(fā)電機組。型號SP4125-50，功率3000kW，編號為“1#機組”。1#機組由一臺16V280ZD-A柴油機、一臺TFW30003A1無刷同步發(fā)電機和一套柴油機輔助單元組成。

（2）輔助柴油發(fā)電機組。型號VGS275，功率200kW，編號為“2#機組”。

（3）輔助設(shè)施。由一套燃油供給系統(tǒng)、一套冷卻循環(huán)系統(tǒng)、一套壓縮空氣啟動系統(tǒng)、一套逆功率吸收裝置、三臺低壓柜、八臺高壓柜（其中六臺安裝在機房內(nèi)、一臺安裝在副井提升機房、一臺安裝在110kV變電所）、一臺交流柴油發(fā)電機機旁控制柜和一臺中性接地電阻柜組成。

應(yīng)急備用電源系統(tǒng)的原理如下：

（1）先啟動2#柴油發(fā)電機組，為1#機組的輔助設(shè)備供電；

（2）1#機組的輔助設(shè)備全部啟動后，再啟動1#柴油發(fā)電機組輸出10kV電壓；

（3）最后，根據(jù)需要操作機房內(nèi)10kV開關(guān)柜為外部設(shè)備供電。

當(dāng)濟寧電網(wǎng)出現(xiàn)故障或礦井110kV變電站發(fā)生嚴(yán)重事故時，應(yīng)急電源系統(tǒng)中的200kW柴油發(fā)電機（2#機組）首先啟動為3000kW柴油發(fā)電機（1#機組）的輔助設(shè)備供電；輔助設(shè)備全部啟動后，啟動1#機組且將其產(chǎn)生的電能由電纜接入配電室10kV母線，再經(jīng)兩10kV回路出線分別到達副井提升機房和礦井地面變電站，保證副井提升系統(tǒng)和主通風(fēng)機供電，使井下人員能夠及時安全地撤離。

千米深井應(yīng)急電源工程土建項目與機電安裝項目完成后，進行了帶載試車。三次聯(lián)合副井提升機運行全部是模擬全礦井停電，應(yīng)急電源系統(tǒng)輔助設(shè)備利用200kW發(fā)電機組供電，3000kW發(fā)電機組直接為副井提升機供電。具體試車主要過程如下：

第一步：應(yīng)急電源系統(tǒng)檢查完畢并完成200kW發(fā)電機組的啟動，3000kW發(fā)電機組的暖機工作，系統(tǒng)具備啟動條件。

第二步：副井車房10kV一、二回路進線停電完畢。

第三步：應(yīng)急電源系統(tǒng)啟動，并給副井車房供電。

第四步：副井提升機運行。

第五步：試車結(jié)束，應(yīng)急電源系統(tǒng)停機，副井提升機恢復(fù)市電正常運行。

為安全起見，三次試車時副井提升機罐籠內(nèi)均不載人，而是提升貨物（礦車）。三次試車實驗結(jié)果見表1。

表1 副井提升機荷載試車實驗

在三次試車過程中，1#機組的發(fā)電機發(fā)電頻率正常，均為50Hz±0.2Hz。表明應(yīng)急電源可以為礦井正常供電。在這三次試車過程中，只檢測到極其短暫的出現(xiàn)一次51 Hz，對供電沒有影響。

在三次試車過程中，發(fā)電機輸出電壓基本一直穩(wěn)定在10.5kV，不帶負(fù)載時在10.5kV±100V波動。副井提升機運行時，最高電壓達到11.7kV，最低電壓為10.3kV，這是由于提升機產(chǎn)生逆功造成的。

檢測結(jié)果表明，副井提升機最大負(fù)載時，發(fā)電機輸出電流為142A，功率1185kW，功率因數(shù)0.45，電壓10.7kV。1#機組發(fā)電機的額定電流為206A。可滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

我國煤礦供電基礎(chǔ)條件差、可靠性低，應(yīng)對突然停電事故的能力不容樂觀，特別在惡劣的自然條件下，更會造成煤礦災(zāi)難性停電事故。因此，備有一套應(yīng)急電源在許多場合是十分必要的。唐口煤業(yè)公司增設(shè)了一套3000kW柴油發(fā)電機組應(yīng)急電源系統(tǒng)，實現(xiàn)當(dāng)濟寧電網(wǎng)出現(xiàn)故障或礦井110/10kV主變電所若發(fā)生嚴(yán)重事故從而導(dǎo)致礦井電力系統(tǒng)很難在短時間內(nèi)恢復(fù)供電時，為副井提升運輸及其它重要場所提供電源，解決重大生產(chǎn)安全隱患。該項目目前已在唐口煤業(yè)公司正常運行，對保證唐口煤業(yè)公司千米深井的安全生產(chǎn)、保障井下一線作業(yè)人員的生命安全，起著至關(guān)重要的作用。

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