礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源應用研究

王　剛

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西　呂梁　033601）

引言

當前，隨著煤炭工業發展和煤礦裝備的進步，煤礦井下電力監控系統、監測通信系統、緊急避險設施對防爆電源的容量要求越來越高，加之目前井下變電所高壓開關保護電源采用柜體自身PT交流電源控制，存在系統出現短路時，容易造成操作電壓降低，斷路器不能分閘；高壓板控制電源檢修時，容易發生低壓反饋高壓電源造成事故；存在三相不平衡問題，容易產生雜波及電磁干擾，相對穩定性及可靠性差；停電時，高壓板各項保護及斷路器不能正常工作，保護器不能記錄分析數據和系統進行保護等現象。根據國家安全生產監督管理總局下發《淘汰落后安全技術裝備目錄》（2016年第一批）要求，采用交流電源控制的保護電源建議逐步淘汰，采用直流電源控制的保護電源代替。為此，礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池直流電源應運而生，并在煤礦井下推廣使用。

1　結構特征

電源外形尺寸：1 230 mm（長）、920 mm（寬）、1 065mm（高）。

喇叭口數量：共23個喇叭口，其中交流電源輸入（Φ34mm）1個、直流電源輸出（Φ34mm）1個，小負載電源輸出（25mm）16個、485接口（25mm）2個，備用25mm喇叭口3個。

顯示設備：一個LCD液晶顯示器。

開關及按鈕：1個快開門斷電聯鎖開關，21個按鈕。其中一個交流進線電源控制按鈕、一個直流大電流（25 A）輸出控制按鈕、一個蓄電池開關控制按鈕、16個直流小電流（3 A）輸出控制按鈕，備用按鈕 2 個[1]。

指示燈：對應21個按鈕工作狀態的紅色指示燈21個。按鈕按下接通電路時燈亮。反之，燈熄滅。

電源防爆箱分為電池腔、設備腔和接線腔等3個腔體。

1）蓄電池腔：蓄電池腔在箱體的右側。腔內安放有34節3.2 V/60 Ah磷酸鐵鋰蓄電池，串聯接線方式。蓄電池腔安裝有方便開啟的慢開門，門上配置有警示銘牌，提醒用戶操作符合規范。蓄電池腔內除了蓄電池和必要的監測采樣電纜，沒有其他器件。

蓄電池腔蓄電池組分5層布置，從上往下除第二層為6節蓄電池，其余四層均為7節蓄電池。

2）設備腔：設備腔在箱體的中間。安裝有LCD顯示單元、BMS蓄電池管理系統、充電單元、電源變換模塊、電源輸入輸出單元、本安通信單元等主要設備和器件[2]。

3）接線腔：接線腔在箱體的左側上部。接線腔有專門的接線腔蓋，位于箱體頂部左側。接線腔外部設置有23個大小喇叭口。2個大喇叭口位于接線腔后部，21個小的喇叭口位于箱體最左側上部。

接線腔內部布置有5個M6接線柱，用于交流電源接入和直流大電流的輸出。此外還有12個九芯接線柱用于小電流的輸出和外部通信電纜的連接。鋰離子蓄電池電源的外形如下頁圖1所示。

2　工作原理

本電源由34只60 Ah磷酸鐵鋰鋰離子電池、BMS電池管理系統（含報警及顯示功能）、電源輸入輸出單元、充電單元、電源變換模塊、本安通信模塊等組成。

如下頁圖2所示，34節60 Ah磷酸鐵鋰蓄電池串聯組成110 V/60 Ah電池組，在電池管理系統控制下實施充電控制、放電控制、數據采集、數據顯示、報警及數據上傳。

將井下～1 140 V、～660 V三相交流電源通過接線腔接入本設備內部，經過變壓器變換為充電單元所需的～380 V供電電源。充電單元為恒流、恒壓方式充電。按照鋰離子電池特點并在設定的電流條件下為電池充電，在充電狀態下當充電電流大于最大允許充電流時，自動切斷充電回路，并將狀態傳送至報警及顯示系統[3]。

34只溫度傳感器實時檢測每只電池的溫度，并將數據傳送至電池管理系統并實時顯示，當電池溫度高于電池的最高允許使用溫度時電池管理系統會自動切斷電池的充、放電回路，系統報警并上傳報警數據。

電池BMS管理系統實時檢測各單體電池的電壓及充電、放電電流，確保每只電池均在允許的工作電壓和電流范圍內工作，并顯示電池組的剩余容量。在充電狀態下，當充電過流達到充電過流保護值時，BMS管理系統切斷充電回路，并顯示報警信息及上傳數據。

在放電狀態下，當放電電流大于最大允許值時或某只電池電壓達到最低允許使用電壓時，切斷放電回路，并顯示報警信息及上傳數據。

電池BMS管理系統接收主機指令并向主機發送數據供主機判斷控制，同時將電源數據和狀態通過LCD實時顯示。

當電源充電系統發生故障時，顯示器優先切換至故障顯示界面。

鋰離子蓄電池電源工作原理框圖如圖2所示[4]。

3　主要特點和功能

3.1　系統輸入電源范圍廣

可選擇交流1 140 V或660 V電源，電源波動范圍±15%。

3.2　系統可以輸出多種電源

1）煤礦井下變電硐室高開柜的控制和操作電源：直流 DC110 V（±1%）；交流 AC110 V（穩壓精度±2%）。

2）煤礦井下變電硐室電力監控中心后備電源交流AC127V（穩壓精度±2%）。

3）煤礦井下瓦斯、人員定位等監測監控后備電源交流AC127 V（穩壓精度±2%）。

3.3　具有本安通信功能

可以實現運行數據實時向調度中心傳輸。

3.4　成倍延長后備時間

一套系統可以配置兩套蓄電池電源裝置，成倍延長后備時間，且兩套蓄電池電源裝置無需并聯使用，一主一備，冗余備用。

3.5　系統具有多種保護功能

包括蓄電池過充保護、蓄電池過放保護、短路保護、充電過流保護、放點過流保護、蓄電池溫度保護、直接接地保護等[5]。

4　主要創新點

4.1　電源系統集多種單元、模塊于一體

礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源是集鋰離子蓄電池、電池管理BMS系統、充電單元、電源變換模塊、電源輸入單元、輸出單元和本安通信模塊為一體的電源設備。

4.2　電源容量大

單體電池容量為60 Ah，電池組單體電池個數為34個，電池組的額定能量為6 600Wh，通過井下實際使用，可同時負載13臺高壓開關柜保護和操作電源、2臺電力分站、4臺監測分站工作8 h以上。

4.3　智能化程度高

礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源工作為智能化，具備對蓄電池的實時管理、檢測及參數顯示等功能，具有多臺使用過程中相互通信、及數據傳送的功能。具備對電源中蓄電池故障、充電系統故障等所有故障進行監測和報警的功能，具備全中文液晶顯示功能。

4.4　系統穩定、可靠、環保，使用壽命長

電源箱采用鋰離子蓄電池，能量比高，具有高存儲能量密度，是鉛酸電池的6～7倍；使用壽命長，可達6年以上；自放電率低，不到鎳氫電池的1/20；重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產品的1/5～1/6；綠色環保，無論生產、使用和報廢都不含有和產生有毒有害金屬元素和物質。

5　結語

礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源是煤礦井下變電硐室保護和控制設備及監控設備的配套產品，為井下變電硐室供電系統提供可靠的保護和控制電源，并為井下監控設施提供可靠的后備電源。該電源在煤礦井下的應用，解決了井下高開柜控制和保護電源不獨立、保護裝置保護特性下降、電力監控和監測監控后備電源、供電可靠性差，故障率高等問題，大大提高了煤礦井下供電的安全和可靠性，有效降低了發生大面積停電事故的次數，為實現井下自動化水平的發展奠定了基礎。

[1]趙鍵.基于智能控制技術的鉛酸蓄電池充電設備的研究[D].南京：南京理工大學，2008.

[2]肖林京，張瑞雪，常龍，等.礦用電機車磷酸鐵鋰蓄電池在線狀態檢測系統[J].煤礦機械，2013，34（4）：206-208.

[3]邢海龍，鄒甲，黃飛.磷酸鐵鋰電池用于煤礦蓄電池機車的可行性分析[J].煤礦機械，2013，34（5）：254-257.

[4]張樂，劉寶昌，鄭義.通信系統磷酸鐵鋰電池規模應用可行性分析[J].電信工程技術與標準化，2014（3）：55-59.

[5]王平.磷酸鐵鋰電池在通信領域的應用淺析[J].通信電源技術，2012（s1）：18-20.