李 輝

（西山煤電建筑工程集團(tuán)礦建第一分公司，山西 太原 030053）

引言

局部通風(fēng)機(jī)是保障掘進(jìn)工作面通風(fēng)安全的設(shè)備，其供電可靠性是關(guān)系到安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)?！睹旱V安全規(guī)程》對局部通風(fēng)機(jī)的供電做出了“三專兩閉鎖”的明確規(guī)定，“三專兩閉鎖”的供電方式提高了局部通風(fēng)機(jī)的可靠性，但是仍然存在安全隱患。當(dāng)主局部通風(fēng)機(jī)的專用電源出現(xiàn)故障跳閘時，主局部通風(fēng)機(jī)瞬間失電停轉(zhuǎn)，若此時備用通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)風(fēng)電閉鎖或瓦斯閉鎖，則備用局部通風(fēng)機(jī)的電源也會切斷，造成工作面通風(fēng)機(jī)雙?，F(xiàn)象，此時必須停止生產(chǎn)，撤出人員，待瓦斯?jié)舛然謴?fù)到安全限值以內(nèi)方可繼續(xù)作業(yè)[1-2]。針對上述局部通風(fēng)機(jī)雙?，F(xiàn)象，本文設(shè)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(zhuǎn)換裝置的不間斷電源，該電源平時工作在備用狀態(tài)，為蓄電池充電，在主局部通風(fēng)機(jī)失電后投入運(yùn)行，為主通風(fēng)機(jī)提供短時不間斷電源，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。

1 正常供電方式

在高瓦斯煤礦中，局部通風(fēng)機(jī)非常重要，為保障巷道通風(fēng)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(fēng)機(jī)無法啟動時自動切換備用局部通風(fēng)機(jī)。井下局部通風(fēng)機(jī)的供電結(jié)構(gòu)為“三專兩閉鎖”，主局部通風(fēng)機(jī)由地面變電所經(jīng)專用隔爆開關(guān)、專用變壓器和專用總饋電開關(guān)直接供電，不經(jīng)過井下采區(qū)變電所，在正常工作情況下由主局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)。備用局部通風(fēng)機(jī)由井下采區(qū)變電所經(jīng)動力變壓器、總饋電開關(guān)和專用供電線路供電，在主局部通風(fēng)機(jī)停用5 s 后啟動。兩閉鎖指的是風(fēng)電閉鎖和瓦斯閉鎖，瓦斯傳感器經(jīng)瓦斯電閉鎖連線接入掘進(jìn)饋電開關(guān)控制回路，當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛瘸^1%時切斷動力供電線路，只保留局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)作業(yè)，待瓦斯?jié)舛冉抵涟踩秶鷥?nèi)，方可恢復(fù)動力電源。主局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量檢測裝置經(jīng)風(fēng)電閉鎖連線接入掘進(jìn)饋電開關(guān)控制回路，當(dāng)風(fēng)量不滿足要求或風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時，掘進(jìn)饋電開關(guān)無法閉合，以保障通風(fēng)安全，當(dāng)主局部通風(fēng)機(jī)啟動且風(fēng)量達(dá)到工作面通風(fēng)要求后，風(fēng)電閉鎖解除，掘進(jìn)饋電開關(guān)方能閉合，掘進(jìn)設(shè)備才能獲得動力電源?！叭龑砷]鎖”的供電方式能夠避免主局部通風(fēng)機(jī)專用電源故障引起的瓦斯聚集，動力電源和備用局部通風(fēng)機(jī)正常工作情況下可以實現(xiàn)風(fēng)電閉鎖或瓦斯閉鎖。但是考慮到更惡劣的情況，井下采區(qū)供電所的總饋電開關(guān)保護(hù)動作跳閘后，備用局部通風(fēng)機(jī)失電，主局部通風(fēng)機(jī)專用電源發(fā)生故障后則無法通風(fēng)，將導(dǎo)致瓦斯超限[3-4]。

2 不間斷電源機(jī)制

在備用局部通風(fēng)機(jī)啟動前，若觸發(fā)了風(fēng)電閉鎖或瓦斯閉鎖，將會導(dǎo)致工作面無通風(fēng)設(shè)備工作的局面，因此為了提高局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性，為主局部通風(fēng)機(jī)設(shè)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(guān)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(hù)加入該不間斷電源的邏輯判斷。將主風(fēng)機(jī)專用電源故障狀態(tài)量、專用總饋電開關(guān)狀態(tài)量和主風(fēng)機(jī)饋電開關(guān)狀態(tài)量按照邏輯“與”運(yùn)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(yīng)判斷主通風(fēng)機(jī)故障狀態(tài)、專用饋電開關(guān)及線路故障狀態(tài)，以免不間斷電源投入時對供電系統(tǒng)或設(shè)備造成二次傷害。不間斷電源啟動機(jī)制如下頁表1 所示，共分為4 種工作模式：模式1 為系統(tǒng)正常運(yùn)行方式，主通風(fēng)機(jī)正常工作，備通風(fēng)機(jī)備用，不間斷電源備用；模式2為專用電源正常，主通風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致饋電開關(guān)分閘，在沒有觸發(fā)閉鎖的情況下備用通風(fēng)機(jī)正常投入，不間斷電源備用；模式3 為專用電源故障導(dǎo)致饋電開關(guān)分閘，主通風(fēng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)，備用通風(fēng)機(jī)投入，不間斷電源備用；模式4 為專用電源故障，饋電開關(guān)未跳閘，此時不間斷電源應(yīng)立刻投入，主通風(fēng)機(jī)在此電源帶動下工作一段時間，待備用通風(fēng)機(jī)正常投入后退出運(yùn)行，進(jìn)入模式3，實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的無縫銜接。

表1 不間斷電源啟動機(jī)制

3 不間斷電源結(jié)構(gòu)

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(jiān)測蓄電池存儲電量狀態(tài)，當(dāng)電池組電壓低于限值時啟動充電功能，為蓄電池補(bǔ)充電能；投入模式下，由蓄電池提供穩(wěn)定的直流電，通過逆變裝置進(jìn)行電能變換，輸出三相交流電帶動主通風(fēng)機(jī)工作。不間斷電源結(jié)構(gòu)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(guān)與主局部通風(fēng)機(jī)并聯(lián)接入專用總饋電開關(guān)，然后接入煤礦配電網(wǎng)[7]。

圖1 不間斷電源結(jié)構(gòu)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(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用最廣泛的蓄電池，具有成本低、回收技術(shù)成熟等特點(diǎn)，但是在大電流充放電時常出現(xiàn)硫酸鹽化現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，但是目前受限于成本未能大規(guī)模應(yīng)用于動力電池領(lǐng)域[8]?？紤]到本不間斷電源的深度充放電次數(shù)較少，大多數(shù)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(dá)到3 500 次充放電，經(jīng)計算普通鉛炭電池的應(yīng)用壽命約為10 年，完全滿足通風(fēng)機(jī)電源的要求，具有較長的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。電池組作為儲能原件，提供通風(fēng)機(jī)30 min的電源供電，根據(jù)主通風(fēng)機(jī)的功率確定電池組設(shè)計，包括單體個數(shù)和容量。

3.2 功率變換系統(tǒng)PCS

功率變換系統(tǒng)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(zhuǎn)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(nèi)，實現(xiàn)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(fēng)機(jī)使用，在充電時將系統(tǒng)的交流電變換為直流電，為DC/DC 模塊充電提供能量。傳統(tǒng)不間斷電源的充電模塊和逆變模塊相互獨(dú)立，不能同時實現(xiàn)功率雙向流動，并且整流單元還會向配網(wǎng)注入大量諧波和無功，引起功率因數(shù)低、電源電壓畸變等問題。功率變換系統(tǒng)PCS的交流側(cè)通過LC 濾波器與配電網(wǎng)相連，直流側(cè)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(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，同時還有消除諧波和避免系統(tǒng)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(tài)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(jié)語

為提高井下工作面安全性，防止主通風(fēng)機(jī)專用電源故障情況下，備用通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)瓦斯閉鎖和風(fēng)電閉鎖而未能及時啟動，出現(xiàn)失去通風(fēng)的現(xiàn)象，設(shè)計了一種適用于局部通風(fēng)機(jī)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?yōu)槿嘟涣麟?，帶動主通風(fēng)機(jī)工作，避免出現(xiàn)失去通風(fēng)，使主備通風(fēng)機(jī)之間的無縫銜接，提高了局部通風(fēng)機(jī)的可靠性，優(yōu)化了井下配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。