煤礦井下變電所后備電源配置方案的選擇

張朝平，付志勇

(上海山源電子科技股份有限公司，上海 201612)

0 引言

我國煤礦目前正在大力進行井下變電所無人值守建設，其中變電所后備電源建設是保證井下無人變電所正常運行的重要內容。若沒有一個可靠的備用電源，高配電裝置可能不能跳閘切除故障，或者由于電壓波動引起失壓脫扣線圈動作而誤跳；不能在井下停電時，做到通信上通下達，也不能接收地面的指令進行必要的操作。

井下變電所，不同的設備對后備電源的要求不同，方案選擇也會不同，本文對此作了探析。

1 高壓配電裝置對后備電源的要求

目前高壓配電裝置采用開關中的PT給保護器、跳閘線圈、失壓脫扣線圈等控制部件供電，往往會由于短路、大負荷啟動、電壓波動等造成開關誤動或拒動，嚴重影響供電安全。因此，要實現變電所無人值守，就必須要解決高壓配電裝置的后備電源問題。具體要解決3個方面的問題：

1)保護器后備電源。當電網電壓波動或電網完全失電后，保護器應能正常工作，并能判斷故障和驅動繼電器跳閘，把事故后的信息傳輸到電力分站和地面監控中心。這就要求保護器具備后備電源，能無抖動切換，確保后備供電時間20 s左右。

2)跳閘線圈后備電源。在高壓配電裝置近端如果發生短路，母線電壓降低時，即便是保護器運行正常，繼電器出口跳閘，也會因跳閘線圈的供電電壓過低而跳不開開關。這就要求為跳閘線圈配備后備電源，確保保護出口跳閘后，跳閘線圈也能有足夠的能量跳開開關。跳閘線圈對后備電源的要求是能確保跳閘線圈有跳閘1次的能量[1]。

3)失壓脫扣線圈后備電源。在高壓配電裝置近端短路或雷擊等引起電壓波動時，需要后備電源能給失壓脫扣線圈提供足夠的電壓，以避免失壓脫扣誤跳開關而造成不必要的停電，而在系統真正停電時后備電源的能量又能很快消耗掉，讓失壓線圈可靠脫扣而跳開開關。失壓脫扣線圈對后備電源的要求是確保5 s以內的穩定電壓即可。

2 高壓配電裝置后備電源的選擇

2.1 分散式后備電源

分散式后備電源分散安裝在每臺高壓配電裝置中，在交流電壓過低或失壓時，用于給保護器、跳閘線圈和失壓脫扣線圈供電，以保證保護器能可靠地切除故障，并將故障信息傳輸給電力分站和地面監控中心；同時，也避免失壓線圈在電壓波動時誤動，造成不必要的停電。

分散式后備電源由1組輸入和3組輸出的開關電源以及高能電容器(或本安鋰電池，根據后備時間要求配置)構成。后備電源通過高壓配電裝置內部的PT供電，經過開關電源輸出兩路帶高能電容的直流24 V和一路帶高能電容的直流110 V輸出：兩路直流24 V分別給跳閘線圈和失壓脫扣線圈供電，當系統失壓后，儲能電容通過放電回路，2～3 s就可把儲存的能量放掉，以確保安全；一路直流110 V給保護器供電，確保停電后保護器能正常工作20 s(選用儲能電容作后備電源)或10 h(選用鋰電池作后備電源)[2]。

2.2 集中式隔爆型不間斷電源(隔爆型UPS)

集中式隔爆型UPS是指采用大功率礦用隔爆型UPS給變電所高壓配電裝置供電。一個變電所安裝1臺大功率隔爆型UPS，其UPS電源輸出的100 V交流或直流電源通過出線裝置和七芯端子從后腔引到前腔設備腔；同時在設備腔安裝1個電源的切換裝置，當隔爆UPS出現問題時，自動切換到PT供電；還需要安裝開蓋斷電裝置，以確保打開高壓配電裝置時，后備電源能夠斷開供電。

這種供電模式是參考了地面變電所的供電模式的同時，也適當地考慮了井下高壓配電裝置的特點，增加了切換裝置和開蓋斷電裝置[3]。

2.3 采用分散式后備電源的優勢

分散式后備電源與集中式隔爆型UPS相比有如下優勢：

1)可靠性高。分散式后備電源采用高能電容器作為儲能元件，一方面避免集中供電造成的隔爆型UPS故障，引起所有高壓配電裝置電源全無的風險，另一方面高能電容器壽命遠遠高于任何可充電電池。單器件的高能電容器可以和地面直流屏的電池可靠性相比，但對于隔爆UPS逆變回路復雜的電子器件電路，顯然前者的可靠性更高。

2)功能更全面。分散式后備電源不僅能作保護器和跳閘線圈的后備電源，也能作失壓脫扣線圈的電源。對保護器提供100 V在線式無切換時間的直流電源；對跳閘線圈，則提供在線式無切換時間的24 V直流電源；對失壓脫扣線圈提供24 V延時自動切斷防電壓晃動的直流電源。這一個電源解決了3個難題，避免了集中式隔爆UPS只能解決交直流100 V供電的保護器后備電源問題的弊端。

3)使用更安全。分散式后備電源采用高能電容器儲能作后備，既解決了3種部件(保護器、跳閘線圈、失壓脫扣線圈)的后備電源問題；又能在完成使命后，自動放電，確保開門時，電容無電，保證使用安全，避免隔爆型UPS集中供電時，高壓配電裝置不能單臺停電而給開關檢修維護帶來的安全隱患。

4)滿足遠程停送電要求。分散式后備電源是從高壓配電裝置內部的PT上取電的，而變電所送電是逐級從進線到母線再到分路開關，要求送電時，開關的PT一定是已經帶電的，只要PT帶電，后備電源就能提供電源，開關就能進行遠程操作，完全滿足逐級遠程送電的要求。

5)滿足開關同時跳合閘對后備電源的需求。正常運行時，高壓配電裝置對后備電源的能量消耗并不大，每臺開關功率不會超過10 W，但同時跳合閘時需要電源提供較大的瞬間能量。分散式后備電源用高能電容儲能，每臺開關有獨立的后備電源，能瞬間釋放出較大的能量，可滿足多臺開關同時跳合閘的要求。而隔爆型UPS一般按照額定負載的80%選配,其彈操機構或永磁機構的高壓配電裝置在同時動作時(比如失壓跳閘后)，電動機啟動儲能和電容充電瞬時電流要達到額定電流的2～5倍，會遠遠超過隔爆UPS逆變輸出最大電流和過電流值，造成UPS中斷輸出甚至損壞[4]。

6)易擴容易搬遷。井下變電所會隨著負荷的變化而擴容或高壓配電裝置搬遷，安裝了分散式后備電源的開關，無論搬遷到哪里都不會失去后備電源。

3 通信設備對后備電源的要求

井下變電所除了高壓配電裝置外，變電所內的電力分站、攝像儀、交換機以及其他分站類等監控通信設備也需要后備電源，便于在停電后，地面依然能看到變電所的視頻，并與井下保持信息傳輸通道的暢通。

監控通信設備是穩定負載，不會變化很大，而且需要在變電所停電后，具有較長時間的續航能力。故監控通信設備的后備電源可選擇采用礦用隔爆兼本質安全型的鋰離子蓄電池電源[5]。

3.1 監控通信設備功率估算

變電所一般配置電力分站、環網交換機、無線基站、兩臺攝像儀以及應急照明燈。各類設備的功耗按下列估計數值計算，變電所監控通信設備的總功耗為：

環網交換機(<40 W)+電力分站(<30 W)+無線基站(<10 W)+2臺攝像頭(<15 W)+ 變電所應急照明(<40 W)<140 W；

3.2 監控通信設備的容量需求

1) 如果選擇變電所所有監控通信設備配置持續12 h的后備電源，需要電能為12×140=1 680 Wh。逆變效率按80%，則電池容量為1680÷0.8=2 100 Wh。也就是電池容量在2 000 Wh左右，就可以滿足一般變電所監控通信設備12 h的供電需求。

2) 變電所監控通信設備的后備電源選擇2 000～2 200 Wh電池容量的隔爆兼本質安全型鋰離子蓄電池電源(隔爆UPS電源)比較合適。

3) 在個別變電所有更大的負載或需要更長的持續時間時，可采用2臺甚至多臺后備電源級聯使用。

這種中容量隔爆UPS電源最大的特點就是體積小、質量輕、易部署、積木式，按需配置容量，投資也省。

4 結論

根據研究分析，井下變電所后備電源的最佳配置方案為：分散式后備電源+積木式中容量(2 000 Wh左右)的隔爆UPS電源。

高壓配電裝置中安裝分散式后備電源，變電所監控通信設備可選擇隔爆UPS電源，若監控通信設備要求有更長的續航時間時，則可配置多臺中容量隔爆UPS，通過級聯供電來實現。