浅谈快速切换装置在煤矿通风系统中的应用

闫灵俊

(汾西矿业集团公司企管处，山西 介休 032000)

电能是煤矿生产的主要动力来源，而安全、高效、可靠的供电系统是煤矿安全生产的保证。如何保证煤矿安全供电是煤矿安全生产的重中之重。煤矿系统的主要机电设备中断供电，不仅会影响煤矿的安全生产，而且会严重威胁到矿工人身安全。比如，突然中断矿井供电会使矿井主通风设备停止运转，导致井下瓦斯气体大量聚集，进而危及矿工生命及矿井的安全。因此，对矿井供电提出的基本要求第一条即是供电可靠，而供电可靠就是要求供电电源不间断。本文探讨了在实践中如何做到不间断供电。

1 煤矿主通风机现供电状况

目前，汾西矿业集团公司各矿主通风机供电系统一般采用单母分段供电方式，其接线图可简化为如图1所示。图1中进线1、2可以是线路、变压器、线路－变压器组等对母线进行供电的变配电设备的一种。

系统正常运行时，基本有三种工况:1)分列运行，进线1和进线2各带一段母线，即进线开关1DL、2DL闭合，母联开关3DL断开。2)进线1带两段母线，即1DL、3DL闭合，2DL断开，进线2热备用。3)进线2带两段母线，即2DL、3DL闭合，1DL断开，进线1热备用。

两段母线分别携带主、副风机。个别矿井中，3DL仅为隔离刀闸。

2 煤矿主通风机供电方式的改进方案

图1 单母分段主接线示意图

1)解决该集团公司主通风机供电可靠性的主要办法是一次系统采用双路或多路供电，再辅以二次系统采用备自投装置。但在实际应用中，备自投装置存在以下问题:

a)切换时间长，在恢复送电前，主扇风机等设备可能已停转。

b)切换期间，冲击电流较大，风机负荷及供电设备极易受冲击而损坏或使绝缘老化缩短使用寿命。

c)自投成功率低。

d)如果为母线永久性故障，还会扩大事故范围。

鉴于以上原因，目前，该集团公司各矿井均未投入使用此类装置，在现阶段若发生矿井无计划停电事故，采用的仍是人工恢复送电。这种事故处理模式需要一定的固有时间，在这固有的时间内，对于高瓦斯矿来说，个别局面就可能出现瓦斯超限。另外，现场人员的专业素质对事故处理快慢、恢复送电所用时间长短也起着至关重要的作用。因此，研究高瓦斯矿井供电系统发生故障时如何快速恢复就显得非常重要。

为此，该集团公司组织相关人员对其它同行系统调研，并与一些有实力的厂家合作，研发新一代多功能快切产品(电源快速切换装置)，应用于3个高瓦斯矿井，以求供电可靠性得到进一步提高。

2)具体切换方案。

a)系统正常运行时，采用工况1供电时，安装一套电源快速切换装置，无论何种原因当进线1(或进线2)失电时，快切装置动作合上母联开关，投入到另一侧进线电源，保证风机不停转。

b)系统正常运行时，采用工况2或工况3供电时，即母联开关在合位或母联为刀闸，或无母联时，安装一套电源快速切换装置，无论何种原因当进线1(或进线2)失电时，快切装置动作，投入另一侧进线电源，保证风机不停转。

3 快切装置的原理及部分功能

3.1 快切装置的原理

如图1所示，当进线1或进线2发生故障时，保护动作，跳开1DL或2DL后母线1或母线2失电，电动机将惰行。对单台电机而言，工作电源切断后电动机定子电流变为零，转子电流逐渐衰减，由于机械惯性，转子转速将从额定值逐渐减速，转子电流磁场将在定子绕组中反向感应电势，形成反馈电压。此时的母线电压即为多台电动机的合成反馈电压，俗称残压。母线残压与备用电源角差和幅值示意图见图2。

图2 母线残压与备用电源角差和幅值示意图

由于残压的存在，为了防止备用电源合闸时造成的冲击，在失电刚发生时，通过控制合闸时的频差和相角差，快速合上备用电源，这就是所谓的“快速切换”，适合快速切换的时机在图2中以区域1表示。在区域2，残压与备用电源电压处于第一次相位重合点附近，如果能在此时合闸，则对电动机的冲击也不大，电动机将很快进入稳定点，转入正常运行，这就是所谓的“同期捕捉”。当然，实际应用中，由于残压频率变化的非线性，加上测量的离散性和间断性，以及开关跳合闸时间的测量误差，并不能做到精确在同相点合闸。理论分析和长期的应用实践表明，只要误差小于一定范围，如合闸角控制在±5°，就能使电动机受到的冲击较小，满足实用要求。

区域3则属于电压接近无压的区域，此时合闸(残压切换的定值一般为25% ～40%)对电动机的冲击已不大，传统的备自投就是工作在这一区域。当然，此时合闸电动机的转速已很低，对生产的影响是不可避免的。

根据以上所述，在区域1、2合闸，对电动机和生产影响都不大。在区域3合闸，虽然对电动机影响不大，但对生产就构成了一定的影响。因此，要掌握好合闸时机，首先从快切装置的起动方式分析。

3.2 合备用开关的方式

合备用开关的方式有:快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换。

快切装置的起动方式有手动起动、保护起动、误跳起动、失压起动、无流起动及逆功率起动方式。

3.3 快切装置的切换方式

快切装置在起动后，会按照一定的顺序操作工作电源开关和备用电源开关。其切换方式有串联、并联、同时三种方式。其中串联切换多用于事故情况下的自动切换，并联切换适用于进线检修时的人工倒闸或故障后手动恢复，同时切换可用于事故情况下的自动切换。

3.4 备用开关合闸的实现方式

装置在起动后，会按照预定的切换方式跳开工作开关和合上备用开关。无论哪种切换方式都涉及到合备用开关的操作。

4 现场效果

装置安装以后，通过现场带负荷试验和3个月的运行实践，装置快速切换功能良好、动作正确、运行稳定，大大提高了高瓦斯矿井安全供电的可靠性。