李志偉

（潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

引言

局部通風(fēng)機(jī)是通過局部風(fēng)道對工作面進(jìn)行通風(fēng)的一種方法，在我國煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。局部通風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的電源出現(xiàn)故障，井下工人就會受到有毒氣體的傷害，甚至?xí)袣怏w積聚，從而引起嚴(yán)重的爆炸。為了保證局部通風(fēng)機(jī)供電的安全性，高瓦斯氣體環(huán)境的礦井必須配備兩臺容量相等、自動切換的局部通風(fēng)機(jī)，當(dāng)一臺不起作用時，另一臺可以自動啟動。這兩種局部通風(fēng)機(jī)分別稱為主局部通風(fēng)機(jī)和備用局部通風(fēng)機(jī)[1]，主局部通風(fēng)機(jī)必須配備專用開關(guān)、專用電纜和專用變壓器，備用局部通風(fēng)機(jī)的電源必須來自另一個電源。當(dāng)主局部通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時，備用局部通風(fēng)機(jī)可以自動啟動，保證掘進(jìn)工作面正常通風(fēng)。實(shí)際上，局部通風(fēng)機(jī)有許多停電事故，因此局部通風(fēng)機(jī)的供電安全問題十分嚴(yán)重，值得密切關(guān)注。本文在此基礎(chǔ)上提出了在煤礦重要掘進(jìn)工作面增設(shè)局部通風(fēng)機(jī)單獨(dú)應(yīng)急電源的新方法。

1 通風(fēng)故障情況分析

礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛群枯^高，容易發(fā)生爆炸和窒息等安全事件。如果當(dāng)通風(fēng)機(jī)停止供應(yīng)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(dǎo)致長時間的惡性氣體排放，嚴(yán)重威脅員工和儀器儀表的安全。根據(jù)相關(guān)記錄，礦井如果存在多處停止供風(fēng)危險，包括機(jī)械故障導(dǎo)致的氣體不達(dá)標(biāo)排放，將消耗一個班次的工程量來排除安全風(fēng)險，不僅降低了工作效率，還嚴(yán)重威脅著安全生產(chǎn)。

通過分析研究，發(fā)現(xiàn)上述事故是由于上變電所的開關(guān)因過載而停止，導(dǎo)致整個工作區(qū)電氣故障，局部風(fēng)機(jī)停機(jī)，造成氣體超標(biāo)。事故的主要原因是[2]：

1）礦井使用的高壓開關(guān)為bgp9l-6，該開關(guān)固定短路保護(hù)時間不統(tǒng)一。在短路情況下，一旦產(chǎn)生大電流，上部和下部短路的保護(hù)同時斷開，導(dǎo)致交叉跳閘。

2）由于礦井底部濕度較高，相應(yīng)的電氣開關(guān)儀表在長時間運(yùn)行后靈敏度降低，并且開關(guān)時間相應(yīng)增加。

3）如果發(fā)生短路，高壓開關(guān)會出現(xiàn)越級跳閘的不安全電氣行為。

2 供電安全技術(shù)方案對比分析

與圖1相比，圖2中1號開關(guān)的輸出端增加了一個同時檢測2號電源狀態(tài)的應(yīng)急電源（EPS），EPS的內(nèi)部原理如下頁圖3所示，其工作原理如下：當(dāng)系統(tǒng)控制器檢測到1號電源正常時，系統(tǒng)控制器將通過1號電源的逆變器控制開關(guān)器件為局部通風(fēng)機(jī)供電。系統(tǒng)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(xiàn)異?；蚬收希绻?號電源正常，2號開關(guān)將自動啟動，備用局部通風(fēng)機(jī)的2號電源。

當(dāng)1號電源和2號電源都出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)控制器會立即控制開關(guān)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(fēng)機(jī)工作。應(yīng)急電源的工作時間由電池組的容量決定。系統(tǒng)控制器根據(jù)氣體密度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。應(yīng)急電源系統(tǒng)包含電池管理系統(tǒng)，可以監(jiān)測每個電池單元的電壓和溫度。一旦某些電池出現(xiàn)異常，電池監(jiān)測裝置會及時將信息轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器還有一個遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，可以不斷與主監(jiān)控系統(tǒng)通信。它將通過監(jiān)視器界面控制應(yīng)急電源的啟動或停止。

圖2 改進(jìn)后局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1 傳統(tǒng)局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 電池組件原理圖

因此，即使1號和2號電源都出現(xiàn)故障，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然可以啟動主局部通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)和瓦斯排放，為工人離開或設(shè)備維護(hù)贏得時間，避免瓦斯積聚或爆炸事故，從而提高局部通風(fēng)機(jī)供電的安全性。

綜上，該供電方法具有如下特點(diǎn)[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(fēng)機(jī)的持續(xù)通風(fēng)，為工人的撤離和設(shè)備的維護(hù)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(yīng)急供電模式，主局部通風(fēng)機(jī)都能根據(jù)氣體密度保證變頻器輸出。為了延長電池在應(yīng)急供電模式下的工作時間，可以根據(jù)氣體密度控制轉(zhuǎn)速。

3）應(yīng)急時間由電池組容量決定。據(jù)統(tǒng)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(jù)1 h的應(yīng)急時間來選擇。

4）裝置相對獨(dú)立，不會受到電網(wǎng)問題的影響。

3 方案的電池管理關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)急電源由電池充電器、電池組、逆變器、開關(guān)裝置、系統(tǒng)控制器、電池管理系統(tǒng)等組成[4]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(tǒng)

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(shè)備的迫切需求，國家安全標(biāo)準(zhǔn)中心現(xiàn)接受《煤礦防爆鋰離子電池電源安全技術(shù)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(yīng)該設(shè)置電池管理系統(tǒng)來監(jiān)控單個電池的電壓和溫度[5]。一旦這些參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)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(qū)動面局部通風(fēng)機(jī)的空間狹窄，電池充電器的體積和重量應(yīng)盡可能小且易于操作。高頻開關(guān)電源具有頻率高、體積小、電壓精度高等優(yōu)點(diǎn)，在通信和電力行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是只使用一個充電器，但轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和功率必須非常高，還應(yīng)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(shè)計非常復(fù)雜。第二種方案的優(yōu)點(diǎn)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(dú)立控制，散熱設(shè)計非常簡單。缺點(diǎn)是充電器數(shù)量太多，并且為了保證電池組的安全，在控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置過充和放電保護(hù)。當(dāng)電池組或單個電池的電壓高于最大允許極限時，控制器應(yīng)該能夠斷開充電器和單個電池。當(dāng)電壓下降到最小允許電壓以下時，控制器應(yīng)該能夠斷開電池和逆變器。

4 結(jié)語

為減少我國目前煤礦供電模式下的非計劃停電和熄風(fēng)事故，提出為局部通風(fēng)機(jī)單獨(dú)安裝電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新方案，提高了供電的安全性。該方案可以使局部通風(fēng)機(jī)連續(xù)工作，在兩個電源都停止工作的情況下，為工人撤離或設(shè)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(fā)生的可能性。局部通風(fēng)機(jī)添加EPS是防止因通風(fēng)機(jī)停電而引發(fā)瓦斯爆炸的一種新方法，對煤礦供電本質(zhì)安全管理有著重要意義。