直流電源在煤礦井下供電系統中的應用

江俊峰

（陽泉煤業集團有限責任公司二礦，山西 陽泉 045000）

煤礦井下供電系統普遍存在供電線路短、多級變電所級聯導致拓撲結構復雜，導致過流保護整定困難，沒有時間級差裕度。陽煤集團二礦（以下簡稱二礦）井下高壓供電系統，在發生短路故障時，不能完全避免高壓供電系統越級跳閘事故。越級跳閘導致停電范圍擴大，且供電系統龐大，恢復送電時間較長。以上各種不利因素直接威脅著二礦的供電安全和礦井安全，制約著礦井生產規模的擴展。

為了解決上述問題，二礦井下部分變電所高爆開關的控制和保護電源改造為直流控制電源。高壓供電系統可靠性得到提高，越級跳閘次數減少。

1 煤礦井下高爆開關控制電源常用方案及缺點

（1）目前煤礦井下高爆開關的控制和保護電源，與高壓供電系統同源。即高爆開關的控制和保護電源由開關內高壓互感器二次線圈輸出的100V交流電源提供。控制和保護電源不獨立，供電可靠性差，故障率相對較高。

（2）當變電所某一饋出線路出現短路時，系統電壓可能瞬時下降至額定電壓的60%以下，導致高爆開關中高壓電壓互感器的二次輸出電壓也隨之急劇下降，控制和保護回路失電，保護裝置出口繼電器不能快速可靠的動作，斷路器不能可靠分閘。

（3）由于井下高爆開關采用的是與供電系統同源的保護和控制電源，隨著系統電壓的波動、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）當線路遭受雷擊時，雷電過電壓可以通過高壓電壓互感器瞬時傳遞到高爆開關內的控制和保護回路，燒毀元件，導致保護和控制裝置功能失效。

2 煤礦井下使用直流一體化電源方案

2.1 直流一體化電源工作原理、功能及組成結構

（1）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、逆變器為一體的電源設備。設備工作為智能化，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功能，具備全中文液晶顯示功能。

（2）直流一體化電源提供的直流控制和保護電源和高爆開關自身高壓互感器提供的AC100V電源經整流的直流電源在高爆開關內可通過高壓開關內安裝的調壓整流切換模塊實現自動切換。其原理是：當高爆開關外部的隔爆型鋰離子蓄電池電源需要停電檢修時，可以自動切換到由高爆開關內部高壓互感器輸出交流電源供電。該電源經過調壓、整流、濾波后輸出的是DC110±5V的直流電源。即使在隔爆型鋰離子蓄電池電源出現故障需要檢修時，也不用開啟高爆開關防爆門，造成高壓線路停電。當檢修完成，隔爆型鋰離子蓄電池電源恢復供電后，保護裝置電源自動切換到隔爆型鋰離子蓄電池電源供電。通過井下現場測試，高爆開關內安裝的調壓整流切換模塊的兩路電源切換時間在10～15ms之間，不會造成保護裝置掉電重啟。

（3）礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源輸出AC127V電源工作原理。DXJL6600隔爆型鋰離子蓄電池電源，交流AC127V后備電源的輸出采用電力專用逆變器來實現。電源中逆變器通過RS485或CAN的通信方式與BMS鋰離子蓄電池管理系統通訊，可以實時將逆變器的工作狀態和故障信息傳輸給BMS鋰離子蓄電池管理系統，并通過BMS鋰離子蓄電池管理系統上傳給地面調度中心。逆變器的數量和工作模式可以設定。逆變器設置為：數量2臺，連接方式：串聯，一主一備工作模式。第一臺逆變器“逆變”優先，第二臺逆變器“旁路”優先。考慮到不同的輸送距離和線路壓降，其輸出電壓可以在AC127～135V之間設定。

2.2 直流一體化電源實施方案

（1）將高爆開關中電壓互感器輸出的AC100V交流電源經過調壓整流切換模塊處理后得到的較穩定的直流電源來作為高爆開關中保護裝置的備用電源。采用兩路直流電源作為控制和保護電源。它的優點是可靠，故障率低，兩路直流電源切換中沒有相位要求，即使并聯在一起也不會造成短路故障。

（2）DXJL6600隔爆型鋰離子蓄電池電源由變電所本室變壓器提供交流電源AC660V。輸出的直流電源供變電所線路上的高爆開關使用，輸出的交流電源供安全監測監控、電力監測監控、應急照明、網絡視頻等設備使用。

（3）隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源可以提供不大于19路的交直流電源的輸出回路。其中直流輸出15路，交流輸出4路。如果直流輸出回路數量不能滿足變電硐室高爆開關的需要，可以采用隔爆型電纜分支盒（三通或四通）進行擴展。直流DC110V和交流AC127V輸出，每路輸出均采用快速熔斷器作為過流保護元件。通常，輸出的各路電源，采用放射性供電方式直接接入每臺用電設備，對于本方案，考慮到節約投資，我們將備用高爆開關同相鄰高爆開關共用1路輸出。

2.3 直流電源后備時間計算

（1）假設全變電所有14臺高爆開關，單臺高爆開關保護裝置常態功耗≤20W，總功耗280W。

（2）交流AC127V總負載按900W考慮。

（3）鋰離子蓄電池電源自身消耗及線路損耗，按150W計算（包括線損、逆變器損耗，逆變器效率大于90%），上述3項相加，在井下變電所交流電源停電時，蓄電池需要輸出的總能耗：280+900+150=1330（W）。

（4） 因 此，DXJL6600隔 爆 兼 本 安 型鋰離子蓄電池電源可以達到的后備時間為：6600W·h÷1330W=4.96h。即使五年后鋰離子蓄電池容量下降到80%時，還能達到約3.96h的后備時間。

2.4 高爆開關失壓延時整定

高爆開關控制和保護電源采用直流一體化電源獨立供電，當系統電壓下降時，通過調整變電所總開關和分開關的失壓延時，形成級差，可使分開關先跳閘，從而避免越級跳閘。

2.5 在井下監測監控系統使用的優點和缺點

（1）照明、監控、通信等沒有或只有分散的小容量后備電源，且后備電源不能集中管理。由于老的后備電源自身沒有蓄電池管理系統，使用一段時間后，運行維護人員無法判斷后備電源的工作狀態，當真正需要后備電源的時候，才會發現后備電源無法使用或達不到使用要求，無法滿足新國標AQ6201《煤礦安全監控系統通用技術要求》的要求。

（2）照明電源不具備后備電源功能，在井下停電時無法提供應急照明。

（3）網絡視頻監控的電源不具備后備電源功能，在井下停電時無法提供實時視頻影像傳輸。

（4）DXJL6600隔爆型鋰離子蓄電池電源輸出的交流電源可以替代原有ZBZ-4.0M和BXZ-4.0M輸出的AC127V。主要的區別在于：該電源具有較長后備時間，將其輸出的AC127V輸入到各分站電源時，無論原有分站電源的后備時間多長，都可以做為各分站電源的補充，逆變器由于經過逆變處理后輸出的AC127V電源，電壓穩定，干擾小，相比較于ZBZ-4.0M和BXZ-4.0M，一體化電源具有占地面積小，接線方便、易于管理的優點。

3 結論

直流電源系統實現直流電源運行數據實時向地面調度中心傳輸，同時提供多個電壓等級的交流或直流后備電源。礦用隔爆型一體化電源系統，實現了煤礦井下控制和保護電源和后備電源向隔爆型、大容量、高安全性、高可靠性的飛躍，為井下供電、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。