提升礦井局部通風機供電安全性的技術方法探討

李志偉

（潞安化工集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

引言

局部通風機是通過局部風道對工作面進行通風的一種方法，在我國煤礦得到了廣泛的應用。局部通風機為工作面提供新鮮空氣，排出有毒、窒息、易爆的氣體和粉塵。一旦局部通風機的電源出現故障，井下工人就會受到有毒氣體的傷害，甚至會有氣體積聚，從而引起嚴重的爆炸。為了保證局部通風機供電的安全性，高瓦斯氣體環境的礦井必須配備兩臺容量相等、自動切換的局部通風機，當一臺不起作用時，另一臺可以自動啟動。這兩種局部通風機分別稱為主局部通風機和備用局部通風機[1]，主局部通風機必須配備專用開關、專用電纜和專用變壓器，備用局部通風機的電源必須來自另一個電源。當主局部通風機出現故障時，備用局部通風機可以自動啟動，保證掘進工作面正常通風。實際上，局部通風機有許多停電事故，因此局部通風機的供電安全問題十分嚴重，值得密切關注。本文在此基礎上提出了在煤礦重要掘進工作面增設局部通風機單獨應急電源的新方法。

1 通風故障情況分析

礦井內的瓦斯濃度含量較高，容易發生爆炸和窒息等安全事件。如果當通風機停止供應新鮮空氣時間超過5 min，易燃易爆氣體將超過限值。如果長時間中斷空氣，會導致長時間的惡性氣體排放，嚴重威脅員工和儀器儀表的安全。根據相關記錄，礦井如果存在多處停止供風危險，包括機械故障導致的氣體不達標排放，將消耗一個班次的工程量來排除安全風險，不僅降低了工作效率，還嚴重威脅著安全生產。

通過分析研究，發現上述事故是由于上變電所的開關因過載而停止，導致整個工作區電氣故障，局部風機停機，造成氣體超標。事故的主要原因是[2]：

1）礦井使用的高壓開關為bgp9l-6，該開關固定短路保護時間不統一。在短路情況下，一旦產生大電流，上部和下部短路的保護同時斷開，導致交叉跳閘。

2）由于礦井底部濕度較高，相應的電氣開關儀表在長時間運行后靈敏度降低，并且開關時間相應增加。

3）如果發生短路，高壓開關會出現越級跳閘的不安全電氣行為。

2 供電安全技術方案對比分析

與圖1相比，圖2中1號開關的輸出端增加了一個同時檢測2號電源狀態的應急電源（EPS），EPS的內部原理如下頁圖3所示，其工作原理如下：當系統控制器檢測到1號電源正常時，系統控制器將通過1號電源的逆變器控制開關器件為局部通風機供電。系統控制器將同時控制電池充電器為電池充電。一旦1號電源出現異常或故障，如果2號電源正常，2號開關將自動啟動，備用局部通風機的2號電源。

當1號電源和2號電源都出現故障時，系統控制器會立即控制開關裝置，利用電池組為逆變器供電，并立即啟動逆變器，保持主局部通風機工作。應急電源的工作時間由電池組的容量決定。系統控制器根據氣體密度調節轉速。應急電源系統包含電池管理系統，可以監測每個電池單元的電壓和溫度。一旦某些電池出現異常，電池監測裝置會及時將信息轉換到系統控制器。系統控制器還有一個遠程監控接口，可以不斷與主監控系統通信。它將通過監視器界面控制應急電源的啟動或停止。

圖2 改進后局部通風機供電系統架構圖

圖1 傳統局部通風機供電系統架構圖

圖3 電池組件原理圖

因此，即使1號和2號電源都出現故障，電動助力轉向系統仍然可以啟動主局部通風機實現通風和瓦斯排放，為工人離開或設備維護贏得時間，避免瓦斯積聚或爆炸事故，從而提高局部通風機供電的安全性。

綜上，該供電方法具有如下特點[3]：

1）如果雙電源全部停止工作，逆變器的電源由電池組提供，保證了局部通風機的持續通風，為工人的撤離和設備的維護贏得了時間。

2）由于采用了變頻器，所以無論是正常供電模式還是應急供電模式，主局部通風機都能根據氣體密度保證變頻器輸出。為了延長電池在應急供電模式下的工作時間，可以根據氣體密度控制轉速。

3）應急時間由電池組容量決定。據統計，計劃外停電的時間大多小于0.5 h。所以電池的容量可以根據1 h的應急時間來選擇。

4）裝置相對獨立，不會受到電網問題的影響。

3 方案的電池管理關鍵技術

應急電源由電池充電器、電池組、逆變器、開關裝置、系統控制器、電池管理系統等組成[4]。電動助力轉向系統采用可編程控制器作為主控制器，具有很高的可靠性和抗干擾能力。

3.1 電池組和電池管理系統

磷酸鐵鋰電池的安全性更高，而且不會釋放氫氣。為滿足煤礦設備的迫切需求，國家安全標準中心現接受《煤礦防爆鋰離子電池電源安全技術要求》的意見，因此在煤礦中使用磷酸鐵鋰電池正成為大勢所趨。但是為了提高使用電池時的安全性，應該設置電池管理系統來監控單個電池的電壓和溫度[5]。一旦這些參數出現異常，系統控制器可以快速斷開電池組，防止電池引起的電氣事故。

3.2 蓄電池充電器

由于驅動面局部通風機的空間狹窄，電池充電器的體積和重量應盡可能小且易于操作。高頻開關電源具有頻率高、體積小、電壓精度高等優點，在通信和電力行業得到了廣泛的應用。

目前有兩種充電方案，一種是整個電池組使用一個充電器，另一種是給每個電池配備一個充電器。第一種方案的優點是只使用一個充電器，但轉換器的輸出電壓和功率必須非常高，還應使用電壓平衡控制電路來保持每個電池的電壓平衡，并且電池組的散熱設計非常復雜。第二種方案的優點是可以很好地保證各個電池的電壓平衡，電池單體電壓可以獨立控制，散熱設計非常簡單。缺點是充電器數量太多，并且為了保證電池組的安全，在控制系統中應設置過充和放電保護。當電池組或單個電池的電壓高于最大允許極限時，控制器應該能夠斷開充電器和單個電池。當電壓下降到最小允許電壓以下時，控制器應該能夠斷開電池和逆變器。

4 結語

為減少我國目前煤礦供電模式下的非計劃停電和熄風事故，提出為局部通風機單獨安裝電動助力轉向系統的新方案，提高了供電的安全性。該方案可以使局部通風機連續工作，在兩個電源都停止工作的情況下，為工人撤離或設備維修贏得時間。本文提出的方案將大大降低瓦斯積聚或瓦斯爆炸造成事故發生的可能性。局部通風機添加EPS是防止因通風機停電而引發瓦斯爆炸的一種新方法，對煤礦供電本質安全管理有著重要意義。