智能一體化控制電源系統在礦井中的應用

秦國峰

（山西潞安礦業（集團）有限責任公司五陽煤礦，山西長治 046000）

0 前言

隨著潞安集團五陽煤礦開采年限的增加，礦井采面也在逐步延伸擴大，產生了很多井下盤區變電所，已發展為多級變電所供電模式，加之采用的速斷保護沒有時限，這樣當設備與電纜突發故障時，便易出現頻繁越級跳閘現象，易對多個盤區變電所造成影響，而當盤區變電所出現停電現象后，開關保護也無法準確顯示故障信息，這樣便會增大故障點的排除難度。易影響礦井安全生產，對此研究智能化一體化的控制電源系統也顯得越來越重要[1]。

1 控制電源系統的功能

控制電源系統是一種專為井下變電硐室及監測監控中心提供安全、可靠、長延時后備電源的裝置，主要涉及煤礦井下變電硐室隔爆型高壓開關柜（高爆柜）的控制和保護電源及安全監測監控系統的后備電源，具體包括：

（1）為煤礦井下變電硐室高爆柜提供與供電系統完全獨立的控制和保護電源[2]；

（2）為煤礦井下變電硐室電力監控中心提供長延時后備電源；

（3）為煤礦井下瓦斯監測、人員定位等監測監控設備提供長延時后備電源；

（4）依據用戶不同電源需求，可以同時提供多個電壓等級的交流或直流后備電源。

2 背景及存在問題

（1）當前所有煤礦井下高爆柜的控制和保護電源，均與高壓供電系統同源，即高爆柜的控制和保護電源由柜內高壓互感器二次線圈輸出的100 V交流電源提供。控制和保護電源不獨立，供電可靠性差，故障率高，容易引發大面積停電事故。如以五陽煤礦2017年發生的一起礦井停電事故為例，受礦井移動變壓器高壓頭放炮的影響，致使礦井地面35 kV變電所裝設的10 kV開關柜發生速斷跳閘現象，直接越過礦井的3個盤區變電所，造成礦井總開關跳閘，而對于此次故障的排除，只能進行逐級與逐臺開關遙測，并挨個檢查各臺移動變壓器，從礦井停電到成功查到故障點耗費了大量時間，由此可見，十分有必要給礦井高爆開關配置獨立的電源系統[3]。

（2）當6～10 kV高壓供電線路出現故障停電后，保護裝置電源失電，無法查詢故障信息，故障判斷處理難度增加，影響恢復送電時間。

（3）由于采用的是與供電系統同源的控保電源，隨著系統電壓的頻繁波動、多次諧波干擾等不良因素也通過高壓互感器直接傳遞至保護裝置電源端，造成保護裝置工作電源的質量和穩定性差，長期如此，可導致保護裝置保護特性下降[4]。

（4）電力監測監控中心是煤礦井下供電系統與井上調度中心聯系的紐帶。井下供電運行狀態和數據等重要信息的上傳、關鍵設備的遠程操作等功能都依賴該平臺實現。如果電力監測監控中心沒有可靠的后備電源，在井下停電時，其實時監測功能將無法實現。

（5）由于當前煤礦井下電源技術的限制，煤礦井下瓦斯監控監測設備、人員定位系統的后備電源容量小、延時短，不能滿足眾多煤礦監測監控設備需要4～8個小時后備時間的要求。當監測監控設備失電后，所有監測監控數據不能及時上傳到調度中心，存在一定安全隱患[5]。

3 電源系統的組成

礦用隔爆兼本安型一體化電源主要由以下兩部分組成：

（1）礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源：DXJL6600∕110J(A)；

（2）礦用隔爆型饋電控制箱：KXBK1140(660)，電源箱和饋電箱既可以組合成一套設備使用，也可以獨立使用于不同場所。

4 電源系統的主要特點

（1）系統輸入電源范圍廣泛，可以選擇交流1140V或660V電源，電源波動范圍±15%。

（2）系統可以輸出多種電源：

①煤礦井下變電硐室高爆柜的控制和操作電源，直流：DC110V（±2%），交流：AC110V（穩壓精度±2%）；

②煤礦井下變電硐室電力監測中心后備電源AC127V交流電源（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AC127V交流電源（穩壓精度±2%）[6]。

（3）對于井下設備的斷電檢修，可采用兩種檢修方式：

①采用原有電壓互感器作為臨時檢修電源，在一體化電源系統需要斷電檢修時，通過快速繼電器切換到電壓互感器輸出電源臨時供電；

②采用直流電源旁路供電方式，在一體化電源需要開啟設備腔前門檢修時，通過檢修旁路為負載供電。

（4）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。

（5）后備時間長，根據負載設備容量，其后備時間長達4～10小時。

（6）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采用專利控制技術，無需并聯使用，一主一備，冗余備用。

（7）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、放電過流保護、蓄電池溫度保護、直流接地保護（告警）。

（8）具有開門斷電聯鎖功能，即，在高爆柜需要檢修時，可以實現高爆柜開門，蓄電池電源裝置停止供電，符合煤礦安全規程要求，安全性可靠性高[7]。

5 礦井高爆開關一體化電源系統的應用

當前，五陽煤礦各盤區變電所使用的高爆開關，大多為國產的ZBT-11綜合保護器，這類保護器為雙CPU結構，且這兩個CPU彼此獨立運行，即為控制單元與保護單元，讓這兩個單元獨立運行，以使裝置更可靠，但近年來，隨著礦井生產規模的逐步擴大，耗電量的逐步增加，加之供電距離的逐步增大，此保護系統已很難滿足礦井使用需要。

對此，五陽煤礦積極引入了礦用隔爆兼本安型一體化電源系統，并在五陽煤礦礦井變電所得到了成功應用。此系統電源部分可饋出多個喇叭嘴，可為多臺高爆開關直流供電系統同時提供電能。

該智能化一體化的電源系統所用的供電電源主要為盤區的1 140 V與660 V電源，借助分接頭變壓器，可把這些電源轉變為380 V的電源，并采用了蓄電池組來為系統的供充電模塊供電，讓變換模塊充當主輸出。這種雙直流供電系統，可有效提高供電的連續性和可靠性，當其中一路發生故障時，另一路仍能正常工作。當低壓系統發生故障時，電池組也能輸出正常的連續可靠的電源。此外，電源系統配備的BMS電池管理系統，也能對各單體電池的電壓大小及實際充放電情況進行實時檢測，能起到有效保護系統充電回路與電池組的作用[8]。

6 結論

此裝置在五陽煤礦井下變電所投用，運行良好，實現了煤礦井下控制和保護電源、后備電源向隔爆型、大容量、高安全性、高可靠性的飛躍，同時解決了原有設備的安全性和可靠性缺陷，為井下供電、安全監測監控的智能化、網絡化發展提供了電源保障，是未來井下電源技術發展的方向。