趙 莉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037003）

引言

礦井在生產(chǎn)的過(guò)程中需要通風(fēng)機(jī)為礦井內(nèi)提供新鮮的空氣，將礦井內(nèi)的瓦斯排出礦井，通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行保障著礦井的安全生產(chǎn)與井下工作人員的生命安全。傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)機(jī)采用雙電源供電[1]，當(dāng)煤礦發(fā)生非計(jì)劃的停電時(shí)主通風(fēng)機(jī)和備用通風(fēng)機(jī)都無(wú)法工作，不能保證礦井的安全生產(chǎn)。因此構(gòu)建礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置是極其必要的[2-3]，能夠確保礦井內(nèi)通風(fēng)機(jī)在發(fā)生電力故障時(shí)仍能夠運(yùn)行，保障礦井的安全生產(chǎn)與人員的安全。

當(dāng)?shù)V井因?yàn)殡娫垂收习l(fā)生通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行的情況時(shí)，礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置能夠在極短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)為通風(fēng)機(jī)提供電源，防止安全事故的發(fā)生。因?yàn)榈V井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜狹小，礦井通風(fēng)機(jī)的功率因素較低，這些因素都對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)提出較高的要求，本文研究的礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置采用鉛炭電池作為儲(chǔ)能裝置為主通風(fēng)機(jī)或備用通風(fēng)機(jī)供電，并且采用PWM設(shè)備充放電，不僅使設(shè)備更加安全可靠，并且適用性更強(qiáng)。

1 礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置構(gòu)建

現(xiàn)階段煤礦使用的備用供電方式是在主通風(fēng)機(jī)專(zhuān)用電源發(fā)生故障時(shí)切換到備用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，該方式能在一定程度上提升礦井的安全生產(chǎn)能力，將沒(méi)有通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間降至很低。但是在主通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行期間，備用通風(fēng)機(jī)因?yàn)槠渌驘o(wú)法運(yùn)行時(shí)，為了避免瓦斯聚集等原因產(chǎn)生的危險(xiǎn)需要停止井下作業(yè)。

本文設(shè)計(jì)的礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置在主通風(fēng)機(jī)專(zhuān)用電源斷電時(shí)，應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置迅速接入為主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，這樣不僅使通風(fēng)機(jī)能夠不間斷工作，并且能夠提升礦井內(nèi)生產(chǎn)的安全性，同時(shí)避免因?yàn)閭溆猛L(fēng)機(jī)無(wú)法使用造成的安全事故，使煤礦的生產(chǎn)更加安全、高效。

礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)功能是當(dāng)檢測(cè)到主通風(fēng)機(jī)電源故障時(shí)，儲(chǔ)能裝置進(jìn)入應(yīng)急模式為主通風(fēng)機(jī)提供半小時(shí)以上的供電，以保障主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，使工作人員有足夠的時(shí)間處理主通風(fēng)機(jī)電源故障。同時(shí)當(dāng)主通風(fēng)機(jī)自身故障等原因?qū)е碌闹魍L(fēng)機(jī)無(wú)法使用，為了避免礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)造成二次傷害，需要在啟動(dòng)應(yīng)急模式前對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷，如果主通風(fēng)機(jī)或者主通風(fēng)機(jī)線路發(fā)生故障，則需要啟動(dòng)備用通風(fēng)機(jī)。使用礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有如下三種情況：

1）主通風(fēng)機(jī)專(zhuān)用電源正常工作，主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行工作，礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置處于充電狀態(tài)；

2）主通風(fēng)機(jī)專(zhuān)用電源正常工作，主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，通過(guò)信號(hào)反饋礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置不進(jìn)入應(yīng)急模式，備用通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；

3）主通風(fēng)機(jī)專(zhuān)用電源故障，饋電開(kāi)關(guān)正常，通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置啟動(dòng)應(yīng)急模式為主通風(fēng)機(jī)或備用通風(fēng)機(jī)供電。

通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置在啟動(dòng)應(yīng)急模式需要斷開(kāi)專(zhuān)用總饋電開(kāi)關(guān)，防止通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置對(duì)專(zhuān)用電源倒送電。煤礦中礦井內(nèi)低壓配電網(wǎng)接入通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置示意圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置示意圖

礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置備用充電模式和應(yīng)急電源模式應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置工作模式的切換過(guò)程如下頁(yè)圖2所示。

圖2 礦井通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置模式切換流程

2 通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的整體結(jié)構(gòu)

通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的工作模式處于備用充電模式時(shí)需要監(jiān)控通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的狀態(tài)，必要時(shí)將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池組進(jìn)行充電；當(dāng)裝置處于應(yīng)急供電模式下，需要將電池組的直流電轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦電驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的充電電路與逆變電路是獨(dú)立的，使用兩套設(shè)備冗余度高但是效率低結(jié)構(gòu)復(fù)雜。PWM變流器具有整流和逆變的功能，所以可以采用PWM變流器作為應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的充放電裝置，并且在PWM變流器與儲(chǔ)能器件之間增加雙向DC/DC變換器，通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的整體結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)化了通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)，裝置的穩(wěn)定性與可靠性也得以提高。

3 通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能器件的選擇

常見(jiàn)的儲(chǔ)能器件有鉛酸電池和鋰電池，兩種電池的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 鉛酸電池和鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)

鉛炭電池是一種新型電池[3]，通過(guò)在傳統(tǒng)鉛酸電池負(fù)極中添加一定量的碳材料，加速活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化，活性炭表面成為新的活性區(qū)域，減弱了極板的極化現(xiàn)象，有效地保護(hù)負(fù)極，延長(zhǎng)了電池的循環(huán)使用壽命，具備鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)，并且改善了鉛酸電池在高充放電倍率下的性能。所以通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置使用鉛碳電池作為儲(chǔ)能器件。

通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置作為主通風(fēng)機(jī)的備用電源要滿足主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)功率，并且能夠?yàn)橹魍L(fēng)機(jī)提供30 min以上的電能。為了提升通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)性，電池需長(zhǎng)期使用，為了保證電池的使用壽命，需要對(duì)電池進(jìn)行合理的充放電來(lái)延長(zhǎng)電池的壽命，所以電池的性能要滿足如下公式：

式中：Wbat為通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置電池組容量；Pbat為通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置輸出功率；Sn為礦井通風(fēng)機(jī)額定功率；Sst為礦井通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)功率；W為通風(fēng)機(jī)運(yùn)行30 min所需要的電能。

4 結(jié)論

通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置保障著礦井內(nèi)的安全生產(chǎn)，防止因?yàn)橥L(fēng)機(jī)停止工作產(chǎn)生危險(xiǎn)，本文設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置作為主通風(fēng)機(jī)的應(yīng)急電源，有以下幾方面作用：

1）防止礦井因?yàn)楣╇姽收蠈?dǎo)致井下通風(fēng)不暢引起的危險(xiǎn)，在停電時(shí)通風(fēng)機(jī)也能夠正常工作半小時(shí)，在檢修電力設(shè)備的同時(shí)不影響正常生產(chǎn)；

2）采用PWM變流器與雙向DC/DC組成的功率變換系統(tǒng)簡(jiǎn)化了通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置的整流和逆變裝置，使通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能裝置更加安全穩(wěn)定；

3）使用鉛炭電池作為通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電儲(chǔ)能器件，降低了煤礦的成本，并且安全穩(wěn)定。