局部通風機不間斷供電裝置的研究

李 輝

（西山煤電建筑工程集團礦建第一分公司，山西 太原 030053）

引言

局部通風機是保障掘進工作面通風安全的設備，其供電可靠性是關系到安全生產的重要指標?！睹旱V安全規程》對局部通風機的供電做出了“三專兩閉鎖”的明確規定，“三專兩閉鎖”的供電方式提高了局部通風機的可靠性，但是仍然存在安全隱患。當主局部通風機的專用電源出現故障跳閘時，主局部通風機瞬間失電停轉，若此時備用通風機出現風電閉鎖或瓦斯閉鎖，則備用局部通風機的電源也會切斷，造成工作面通風機雙?，F象，此時必須停止生產，撤出人員，待瓦斯濃度恢復到安全限值以內方可繼續作業[1-2]。針對上述局部通風機雙停現象，本文設計了一種以蓄電池作為動力源，以DC/DC 變換器和PWM 變流器為電能轉換裝置的不間斷電源，該電源平時工作在備用狀態，為蓄電池充電，在主局部通風機失電后投入運行，為主通風機提供短時不間斷電源，提高了通風系統的可靠性。

1 正常供電方式

在高瓦斯煤礦中，局部通風機非常重要，為保障巷道通風安全，一般都配置兩組，通過自動切換裝置連接，在主局部通風機無法啟動時自動切換備用局部通風機。井下局部通風機的供電結構為“三專兩閉鎖”，主局部通風機由地面變電所經專用隔爆開關、專用變壓器和專用總饋電開關直接供電，不經過井下采區變電所，在正常工作情況下由主局部通風機供風。備用局部通風機由井下采區變電所經動力變壓器、總饋電開關和專用供電線路供電，在主局部通風機停用5 s 后啟動。兩閉鎖指的是風電閉鎖和瓦斯閉鎖，瓦斯傳感器經瓦斯電閉鎖連線接入掘進饋電開關控制回路，當工作面瓦斯濃度超過1%時切斷動力供電線路，只保留局部通風機通風作業，待瓦斯濃度降至安全范圍內，方可恢復動力電源。主局部通風機的風量檢測裝置經風電閉鎖連線接入掘進饋電開關控制回路，當風量不滿足要求或風機停轉時，掘進饋電開關無法閉合，以保障通風安全，當主局部通風機啟動且風量達到工作面通風要求后，風電閉鎖解除，掘進饋電開關方能閉合，掘進設備才能獲得動力電源。“三專兩閉鎖”的供電方式能夠避免主局部通風機專用電源故障引起的瓦斯聚集，動力電源和備用局部通風機正常工作情況下可以實現風電閉鎖或瓦斯閉鎖。但是考慮到更惡劣的情況，井下采區供電所的總饋電開關保護動作跳閘后，備用局部通風機失電，主局部通風機專用電源發生故障后則無法通風，將導致瓦斯超限[3-4]。

2 不間斷電源機制

在備用局部通風機啟動前，若觸發了風電閉鎖或瓦斯閉鎖，將會導致工作面無通風設備工作的局面，因此為了提高局部通風機供電系統的可靠性，為主局部通風機設置一套不間斷電源是十分必要的。不間斷電源通過饋電開關接入專用電源母線，為了防止不間斷電源向地面變電所反送電，在地面變電站的繼電保護加入該不間斷電源的邏輯判斷。將主風機專用電源故障狀態量、專用總饋電開關狀態量和主風機饋電開關狀態量按照邏輯“與”運算，作為不間斷電源的啟動信號[5-6]。即按照不間斷電源的工作邏輯，啟動條件除了專用電源故障停電，還應判斷主通風機故障狀態、專用饋電開關及線路故障狀態，以免不間斷電源投入時對供電系統或設備造成二次傷害。不間斷電源啟動機制如下頁表1 所示，共分為4 種工作模式：模式1 為系統正常運行方式，主通風機正常工作，備通風機備用，不間斷電源備用；模式2為專用電源正常，主通風機故障導致饋電開關分閘，在沒有觸發閉鎖的情況下備用通風機正常投入，不間斷電源備用；模式3 為專用電源故障導致饋電開關分閘，主通風機失電停轉，備用通風機投入，不間斷電源備用；模式4 為專用電源故障，饋電開關未跳閘，此時不間斷電源應立刻投入，主通風機在此電源帶動下工作一段時間，待備用通風機正常投入后退出運行，進入模式3，實現通風系統的無縫銜接。

表1 不間斷電源啟動機制

3 不間斷電源結構

不間斷電源有備用和投入兩種工作模式：備用模式下，不間斷電源的控制器實時監測蓄電池存儲電量狀態，當電池組電壓低于限值時啟動充電功能，為蓄電池補充電能；投入模式下，由蓄電池提供穩定的直流電，通過逆變裝置進行電能變換，輸出三相交流電帶動主通風機工作。不間斷電源結構與接入方式如圖1 所示，由儲能電池組、雙向DC/DC 功率變換器和PWM變流器組成。不間斷電源通過專用饋電開關與主局部通風機并聯接入專用總饋電開關，然后接入煤礦配電網[7]。

圖1 不間斷電源結構與接入方式

3.1 蓄電池組

蓄電池具有可靠性高、啟動速度快、技術成熟等優點，是最常見的儲能器件之一。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鋰電池和其他新型電池等，鉛酸蓄電池是應用最廣泛的蓄電池，具有成本低、回收技術成熟等特點，但是在大電流充放電時常出現硫酸鹽化現象，降低電池性能和壽命。鋰電池具有比能量高、充電功率范圍大的優點，但是目前受限于成本未能大規模應用于動力電池領域[8]。考慮到本不間斷電源的深度充放電次數較少，大多數情況為“淺充淺放”工作模式，因此本文選擇新型鉛炭電池作為儲能器件。鉛炭電池在充電深度為30%時可達到3 500 次充放電，經計算普通鉛炭電池的應用壽命約為10 年，完全滿足通風機電源的要求，具有較長的使用壽命和經濟性。電池組作為儲能原件，提供通風機30 min的電源供電，根據主通風機的功率確定電池組設計，包括單體個數和容量。

3.2 功率變換系統PCS

功率變換系統PCS 是不間斷電源的核心組件，其中雙向DC/DC 變換器的作用是投入時將電池組的直流電轉換為PWM 變流器的直流母線電壓，備用充電時從PWM變流器獲取能量，存儲在電池組內，實現功率雙向流動。PWM變流器在投入時將直流電變換為交流電，供風機使用，在充電時將系統的交流電變換為直流電，為DC/DC 模塊充電提供能量。傳統不間斷電源的充電模塊和逆變模塊相互獨立，不能同時實現功率雙向流動，并且整流單元還會向配網注入大量諧波和無功，引起功率因數低、電源電壓畸變等問題。功率變換系統PCS的交流側通過LC 濾波器與配電網相連，直流側與電池組相連，無論是整流還是逆變過程，該變換器均能實現單位功率因數運行，同時還有消除諧波和避免系統諧振的功能。DC/DC 變換器工作在降壓模式時，蓄電池組的充電狀態有浮充、恒壓充和恒流充三種模式，DC/DC變換器工作在升壓模式時，蓄電池電壓被泵升，為逆變提供直流電。

4 結語

為提高井下工作面安全性，防止主通風機專用電源故障情況下，備用通風機出現瓦斯閉鎖和風電閉鎖而未能及時啟動，出現失去通風的現象，設計了一種適用于局部通風機的不間斷電源。該不間斷電源以蓄電池為儲能裝置，通過雙向DC/DC 變換器和PWM 變流器，將直流電逆變為三相交流電，帶動主通風機工作，避免出現失去通風，使主備通風機之間的無縫銜接，提高了局部通風機的可靠性，優化了井下配電網結構。