基于高瓦斯礦井安全供電技術分析

劉海富

（大同煤礦集團公司忻州窯礦 ，山西 大同 037021）

1 煤礦供電系統概述及存在問題

煤礦的供電系統主要由電網變電站或是發電廠將電能輸送至煤礦，經降壓后，向煤礦地面及井下變電所進行配電，形成高壓供電系統，再由各變電所降壓后用于用電設備。

煤礦電力負荷主要分為三類，如表1所示。

表1 煤礦電力負荷分類表

高瓦斯礦井中的I類負荷較多，一旦發生供電事故后果不堪設想。因此《煤礦安全規程》中規定礦井必須應有兩條回路電源線路，如其中一回路發生非計劃停電事故時，另一回路能夠擔負礦井所用負荷供電，且兩回路電源線上不能夠分接任何負荷。但當忻州窯礦井主供電源回路正常運行，另一回路帶電熱備用過程中，經常會發生主供電源回路停電時，不能夠快速有效地向備用帶電回路進行切換。所以，如何完成電源快速切換，且確保礦井負荷連續供電，不對供電主設備造成損壞，是確保高瓦斯礦井供電安全的重中之重。

2 電源快速切換裝置的開發與應用

2.1 在礦井地面供電系統中的應用分析

通常情況下，煤礦供電系統在設計時都會考慮到雙路供電的切換問題，主要是依據傳統的備自投設計考慮，但是，礦井備自投切換時間過長，且無相頻進行檢測，高瓦斯礦井備自投裝置都已退出運行。

煤礦電網快速切換系統研究的基本原理依據主要是：電動機、發電機等產生的轉動負荷在工作電源切斷后會在母線處產生一定的反饋電壓，即為殘壓。因此，需要針對煤礦供電系統中的用電設備進行全面剖析，主要設備有電動機、變壓器、發電機等。基于煤礦中負荷的類型復雜、數量較多，難以進行數據的實地測量，因此本文采用數據建模的方式，應用仿真的試驗方法和技術路線，并結合現場的實際情況進行切換試驗驗證。其研究路線和裝置的軟件研發及生產工藝流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 試驗路線圖

圖2 生產工藝流程示意圖

本試驗的仿真器采用加拿大產的實時數字仿真器RTDS（圖3），通過嚴格的試驗論證，對礦井供電系統可能出現的一些情況進行仿真模擬試驗，以驗證“電源快速切換裝置”的動作行為與保護間的配合度情況。經試驗后可得：快速切換裝置能夠很好地實現供電的不間斷性和可靠性。

圖3 實時數字仿真模型

通過在同煤集團公司安裝PCS-9655S型電源快速切換裝置后，很好地填補了公司內高瓦斯礦井及高電壓等級上成功應用的空白。該電源切換裝置自2012年5月在川底35kV變電站投入運行后，在后續兩年內發生上級電網波動情況時，成功地完成了主供電源向備用電源回路切換的工作。經咨詢忻州窯礦后，礦方回復礦內各負荷均未受到影響。該裝置在經歷實際事故的驗證后，能夠有效確保礦井的安全供電和生產，避免了企業的經濟損失。

2.2 在井下供電系統中的應用分析

煤礦主通風機是用于礦井井下通風的主要設備，一旦通風機發生停電故障，導致主通風機停止工作后，井下瓦斯將會聚集，當達到超限指標后，極有可能誘發煤礦瓦斯爆炸事故。煤礦主通風機的安裝位置主要在遠離礦區的偏遠區域，對于一些機電設備來說，供電距離相對較遠些，且通常采用架空線路的方式，外部影響因素較多，因此經常會發生停電事故。據相關統計，大約有90%以上的主通風機停電事故是因外部停電故障誘發的，因此為了避免高瓦斯礦井主通風機因停止運行導致瓦斯聚集超限的狀況發生，煤礦主通風機必須安裝有效的電源快速切換裝置，以便發生供電事故后可以快速投入備用電源。如圖4所示為忻州窯礦主通風機供電系統及快速切換裝置的安裝示意圖。

圖4 煤礦主通風機供電系統和快速切換裝置的安裝示意圖

主通風供電系統及快速切換裝置主要采用以下兩種切換方式：進線電源開關互相備用的切換方式和母聯分段開關切換方式。進線電源開關互相備用切換的方式：主要是1#開關正常運行，2#開關熱備，當1#開關電源發生供電事故后，將會自動切換到2#電源開關繼續運轉；此外系統裝置也可以采取母聯開關切換方式：該切換方式是1#和2#同時帶電，母聯熱備，1#電源帶動1#主通風機運行，2#電源帶動2#主通風機運行，供電電源發生故障時，由母聯運行來完成切換工作。在實際生產工作過程中，為了降低通風機的停電率，通常會采用母聯分段開關備用的大分列運行方式，這樣可以實現當一條線路出現故障后，另一主通風機可以快速恢復正常運行。

但在實際切換中，假若只是簡單地將主供電源回路切換至備用電源回路的話很容易會放大事故。所以在快速切換備用電源回路前，裝置應預先進行基本的邏輯判斷，在排除一切故障后，才能正確投入使用。具體判斷情況：

（1）當下級回路發生過流故障跳閘時，跳閘電流過大，故障電流將會反映到進線開關的電流互感器上，因此通過在快速切換裝置上設定一個電流閉鎖門檻值，當故障電流進入閉鎖門檻值時，會驅動主通風機故障報警系統發出報警信號，且閉鎖切換裝置，此時可通過人工倒換風機操作投入備用主通風機進行運轉。

（2）當快速切換裝置通過無流低頻檢測，即進線開關在額定電流的5%以下，頻率在49Hz以下的情況未發生較大故障電流時，會啟動快速切換裝置。此刻如果已經確認進線開關跳開，且備用電源電壓和頻率都滿足快速切換的條件下，切換裝置會直接閉合母聯分段開關；反之如檢測進線開關未跳開的話，切換裝置會先發出跳進線開關指令，當收到進線開關已跳開信號后，再發出相應命令，投入備用電源。這樣可以有效保證斷開在進線開關上級的故障點，確保風機的持續運轉。從而實現當一回路電源發生故障或其他原因停電時，系統自動檢測并排除故障，另一回路自動投入，主通風機持續運轉的目的。

（3）當快速切換裝置檢測到主供電源回路無電壓和電流，同時備用電源回路電壓和頻率都達不到正常設定值的情況時，快速切換裝置為了避免切換到備用回路仍無電的情況，將不進行備用電源回路的切換。此時快速切換裝置會繼續檢測一定時間（通常設定為5s），在這一時間間隔內，如果備用回路電源恢復正常情況的話，將自動切換，反之將發出報警信號進行人工處理。

3 結論

通過在忻州窯礦進行電源快速切換裝置的研究與應用，尤其是在礦井主通風機中應用可知，該裝置能夠及時對停電故障進行判別分析，快速切除故障點并恢復備用電源回路，進而有效確保礦山主通風機的持續運轉，使礦山企業的安全供電和安全生產得到有效保障。