陳于亮

摘 要：針對(duì)煤礦井下“六大系統(tǒng)”供電使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析梳理和總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用提出了煤礦“六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì) “六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行了分析，提出一些意見(jiàn)和思路。

關(guān)鍵詞：大容量；鋰電池；集中供電

近年來(lái)隨著新型動(dòng)力電池材料的研制成功，磷酸鐵鋰電池以其能量高、電化學(xué)性能穩(wěn)定、輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作動(dòng)力電源。隨著煤炭工業(yè)發(fā)展和礦山裝備技術(shù)進(jìn)步，監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)設(shè)施、井下運(yùn)輸車輛等對(duì)防爆電源容量的要求越來(lái)越高，同時(shí)GB3836.2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》中明確禁止“在正常使用時(shí)可能釋放電解氣體的電池（如鉛酸蓄電池）”在隔爆外殼內(nèi)使用，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)趨于選擇、使用比能量高、無(wú)記憶效應(yīng)的磷酸鐵鋰蓄電池。實(shí)際應(yīng)用中，煤礦對(duì)大容量串聯(lián)鋰離子蓄電池組的需求也越來(lái)越大，單體磷酸鐵鋰蓄電池電壓及容量有限，實(shí)際應(yīng)用中采用大容量磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的方式組成電池組使用。

1 目前煤礦供電現(xiàn)狀

目前煤礦井下的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位、無(wú)線通訊、廣播等各類數(shù)字化礦山系統(tǒng)設(shè)備分布廣，布置比較分散，供電方式多為就近接入巷道內(nèi)排水、照明供電系統(tǒng)，可靠性差較差，供電發(fā)生故障后停電時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法保證數(shù)字化礦山系統(tǒng)可靠運(yùn)行，影響煤礦安全生產(chǎn)；如果數(shù)字礦山系統(tǒng)全部采用雙回路、專用變壓器、專用開(kāi)關(guān)方式供電，可以有效保證供電網(wǎng)絡(luò)安全、可靠，但建設(shè)費(fèi)用較高；監(jiān)測(cè)監(jiān)控等系統(tǒng)自帶的后備電池容量有限，一般只能滿足2小時(shí)后備供電，現(xiàn)場(chǎng)交流斷電一旦超過(guò)2小時(shí)，則供電中斷，系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)行；數(shù)字礦山系統(tǒng)電源不具有電池智能管理功能，后備電源電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，會(huì)大幅度降低電池使用壽命，必須進(jìn)行周期性放電操作，以保證電池使用壽命；數(shù)字化礦山相關(guān)子系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的分散式供電方式，每個(gè)系統(tǒng)數(shù)十臺(tái)電源，都采用人員工檢查和放電的維護(hù)模式，工作量較大，后期運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量難以保障。

2 鋰電池箱工作原理

在電池腔內(nèi)，交流輸入的AC127V/AC660V經(jīng)過(guò)隔離變壓器輸出AC22V，AC220V經(jīng)過(guò)電源濾波器、群脈沖抑制器，輸出的AC220V輸入到充電器，充電器輸出DC30V到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與BMS接口方式為SMBUS，網(wǎng)關(guān)具有LCD實(shí)時(shí)顯示電池信息的功能，網(wǎng)關(guān)輸出的非安DC、RS485輸出到電源箱，網(wǎng)關(guān)通過(guò)8個(gè)并聯(lián)的18B20測(cè)量8節(jié)電池溫度，BMS通過(guò)2個(gè)JF6的穿墻端子對(duì)電池組進(jìn)行最大6A電流充電，BMS通過(guò)JD12的穿墻端子實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的均衡充放電。

當(dāng)存在市電時(shí)，DC-DC的供電由充電器提供，DC30V輸出到電源箱，再經(jīng)過(guò)本安保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)3路獨(dú)立的12V本安輸出。當(dāng)市電斷電時(shí)，負(fù)載設(shè)備供電由電池提供，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不間斷供電。

3 基于大容量鋰電池后備電源集中供電模式的特點(diǎn)

穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的供電：對(duì)比分析采用雙回路、專用網(wǎng)絡(luò)供電模式，與以現(xiàn)有就近取電方式為基礎(chǔ)的智能電源集中供電模式的穩(wěn)定性、可靠性，經(jīng)濟(jì)性，研究適合于煤礦井下的數(shù)字化礦山供電模式。

數(shù)字化礦山統(tǒng)一的供電平臺(tái)：研究被供電設(shè)備的輸入電壓規(guī)格及參數(shù)，研發(fā)出可以廣泛適用于數(shù)字化礦山各種輸入電壓等級(jí)的供電設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范管理。

故障診斷管理：分析系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備的故障點(diǎn)及故障出現(xiàn)時(shí)工作狀態(tài)，研發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)1+1冗余的設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效的故障自診斷專家管理系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。

智能電池冗余管理：分析井下不同環(huán)境下設(shè)備檢修、維護(hù)、故障排除時(shí)間的大數(shù)據(jù)，科學(xué)布置后備電池的電量，研發(fā)適合于煤礦井下的后備電池冗余管理系統(tǒng)，應(yīng)不僅保證系統(tǒng)不間斷供電，同時(shí)有效節(jié)約成本。

智能電池充放電管理：分析本機(jī)設(shè)備供電適用環(huán)境和被供電設(shè)備特點(diǎn)，建立起一套科學(xué)的預(yù)防式的電池分組充放電管理機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)需要放電時(shí)電池有電可放。

鋰電池的充放電管理：研究鋰電池在不同溫度環(huán)境下的充放電曲線，采用合適算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池SOC（荷電容量）的準(zhǔn)確計(jì)算，完善鋰電池保護(hù)機(jī)制，有效降低電池的后期維護(hù)成本。

4 預(yù)期目標(biāo)

該系統(tǒng)和設(shè)備解決了分散式供電的諸多問(wèn)題，無(wú)論是系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)均具有冗余設(shè)計(jì)，極大提高了被供電設(shè)備的可靠性，保證了數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)的可靠供電。形成了整個(gè)數(shù)字化礦山的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直觀展示出礦井各系統(tǒng)被供電設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)井下的無(wú)盲點(diǎn)管控。

該系統(tǒng)和設(shè)備適用范圍較大，既具有非安DC24V輸出，又具有非安AC127V輸出，同時(shí)還具有本安DC18V輸出，可以廣泛覆蓋各種廠家的各類系統(tǒng)及設(shè)備。以現(xiàn)有就近取電方式為基礎(chǔ)的智能電源集中供電模式，可以形成數(shù)字化礦山穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的供電網(wǎng)絡(luò)，其總體成本不超過(guò)100萬(wàn)；如采用雙回路開(kāi)關(guān)、專用網(wǎng)絡(luò)供電模式總成本約300萬(wàn)，采用智能電源集中供電的模式預(yù)期可以節(jié)約資金200萬(wàn)。

項(xiàng)目完成后實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下后備電池的統(tǒng)一管理，具有專業(yè)的電池容量診斷功能，為及時(shí)更換電池提供技術(shù)支撐。

系統(tǒng)和設(shè)備具有完善的保護(hù)、報(bào)警機(jī)制，通過(guò)電源故障專家診斷系統(tǒng)，方便現(xiàn)場(chǎng)故障定點(diǎn)排查，快速檢修，有效減少了維護(hù)人員。以某煤礦為例，該礦的無(wú)線通訊、人員定位、廣播、安全監(jiān)控系統(tǒng)，每種系統(tǒng)不少于50臺(tái)電源，共計(jì)200臺(tái)電源，需要6名日常維護(hù)人員，項(xiàng)目建成后，只需2名兼職動(dòng)態(tài)檢修人員即可，人力成本每年節(jié)約100萬(wàn)元.

項(xiàng)目完成后系統(tǒng)支持對(duì)電池箱后備電池、隔爆兼本安電源后備電池遠(yuǎn)程充放電管理操作，有效延長(zhǎng)了后備電池的使用壽命，減少了電池更換的次數(shù)。以某煤礦為例，200臺(tái)電源，年可節(jié)約維護(hù)電池成本約30萬(wàn)。

5 應(yīng)用范圍

可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下的無(wú)線通訊、人員定位、車輛定位、監(jiān)視監(jiān)控（工業(yè)電視）、語(yǔ)音廣播、調(diào)度指揮、工業(yè)自動(dòng)化、安全監(jiān)控等系統(tǒng)數(shù)字化系統(tǒng)的不間斷、可靠供電，可以實(shí)現(xiàn)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)等要求長(zhǎng)時(shí)間供電的場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)隔爆PLC、交換機(jī)等單機(jī)設(shè)備供電的不間斷供電。

6 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)完成后，通過(guò)智能化電源集中供電系統(tǒng)成功用于煤礦井下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)的正常工作，為煤礦的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，該系統(tǒng)具有科學(xué)、易管理、易擴(kuò)展、易維護(hù)等特點(diǎn)。

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