煤矿井下变电所后备电源配置方案的选择

张朝平，付志勇

(上海山源电子科技股份有限公司，上海 201612)

0 引言

我国煤矿目前正在大力进行井下变电所无人值守建设，其中变电所后备电源建设是保证井下无人变电所正常运行的重要内容。若没有一个可靠的备用电源，高配电装置可能不能跳闸切除故障，或者由于电压波动引起失压脱扣线圈动作而误跳；不能在井下停电时，做到通信上通下达，也不能接收地面的指令进行必要的操作。

井下变电所，不同的设备对后备电源的要求不同，方案选择也会不同，本文对此作了探析。

1 高压配电装置对后备电源的要求

目前高压配电装置采用开关中的PT给保护器、跳闸线圈、失压脱扣线圈等控制部件供电，往往会由于短路、大负荷启动、电压波动等造成开关误动或拒动，严重影响供电安全。因此，要实现变电所无人值守，就必须要解决高压配电装置的后备电源问题。具体要解决3个方面的问题：

1)保护器后备电源。当电网电压波动或电网完全失电后，保护器应能正常工作，并能判断故障和驱动继电器跳闸，把事故后的信息传输到电力分站和地面监控中心。这就要求保护器具备后备电源，能无抖动切换，确保后备供电时间20 s左右。

2)跳闸线圈后备电源。在高压配电装置近端如果发生短路，母线电压降低时，即便是保护器运行正常，继电器出口跳闸，也会因跳闸线圈的供电电压过低而跳不开开关。这就要求为跳闸线圈配备后备电源，确保保护出口跳闸后，跳闸线圈也能有足够的能量跳开开关。跳闸线圈对后备电源的要求是能确保跳闸线圈有跳闸1次的能量[1]。

3)失压脱扣线圈后备电源。在高压配电装置近端短路或雷击等引起电压波动时，需要后备电源能给失压脱扣线圈提供足够的电压，以避免失压脱扣误跳开关而造成不必要的停电，而在系统真正停电时后备电源的能量又能很快消耗掉，让失压线圈可靠脱扣而跳开开关。失压脱扣线圈对后备电源的要求是确保5 s以内的稳定电压即可。

2 高压配电装置后备电源的选择

2.1 分散式后备电源

分散式后备电源分散安装在每台高压配电装置中，在交流电压过低或失压时，用于给保护器、跳闸线圈和失压脱扣线圈供电，以保证保护器能可靠地切除故障，并将故障信息传输给电力分站和地面监控中心；同时，也避免失压线圈在电压波动时误动，造成不必要的停电。

分散式后备电源由1组输入和3组输出的开关电源以及高能电容器(或本安锂电池，根据后备时间要求配置)构成。后备电源通过高压配电装置内部的PT供电，经过开关电源输出两路带高能电容的直流24 V和一路带高能电容的直流110 V输出：两路直流24 V分别给跳闸线圈和失压脱扣线圈供电，当系统失压后，储能电容通过放电回路，2～3 s就可把储存的能量放掉，以确保安全；一路直流110 V给保护器供电，确保停电后保护器能正常工作20 s(选用储能电容作后备电源)或10 h(选用锂电池作后备电源)[2]。

2.2 集中式隔爆型不间断电源(隔爆型UPS)

集中式隔爆型UPS是指采用大功率矿用隔爆型UPS给变电所高压配电装置供电。一个变电所安装1台大功率隔爆型UPS，其UPS电源输出的100 V交流或直流电源通过出线装置和七芯端子从后腔引到前腔设备腔；同时在设备腔安装1个电源的切换装置，当隔爆UPS出现问题时，自动切换到PT供电；还需要安装开盖断电装置，以确保打开高压配电装置时，后备电源能够断开供电。

这种供电模式是参考了地面变电所的供电模式的同时，也适当地考虑了井下高压配电装置的特点，增加了切换装置和开盖断电装置[3]。

2.3 采用分散式后备电源的优势

分散式后备电源与集中式隔爆型UPS相比有如下优势：

1)可靠性高。分散式后备电源采用高能电容器作为储能元件，一方面避免集中供电造成的隔爆型UPS故障，引起所有高压配电装置电源全无的风险，另一方面高能电容器寿命远远高于任何可充电电池。单器件的高能电容器可以和地面直流屏的电池可靠性相比，但对于隔爆UPS逆变回路复杂的电子器件电路，显然前者的可靠性更高。

2)功能更全面。分散式后备电源不仅能作保护器和跳闸线圈的后备电源，也能作失压脱扣线圈的电源。对保护器提供100 V在线式无切换时间的直流电源；对跳闸线圈，则提供在线式无切换时间的24 V直流电源；对失压脱扣线圈提供24 V延时自动切断防电压晃动的直流电源。这一个电源解决了3个难题，避免了集中式隔爆UPS只能解决交直流100 V供电的保护器后备电源问题的弊端。

3)使用更安全。分散式后备电源采用高能电容器储能作后备，既解决了3种部件(保护器、跳闸线圈、失压脱扣线圈)的后备电源问题；又能在完成使命后，自动放电，确保开门时，电容无电，保证使用安全，避免隔爆型UPS集中供电时，高压配电装置不能单台停电而给开关检修维护带来的安全隐患。

4)满足远程停送电要求。分散式后备电源是从高压配电装置内部的PT上取电的，而变电所送电是逐级从进线到母线再到分路开关，要求送电时，开关的PT一定是已经带电的，只要PT带电，后备电源就能提供电源，开关就能进行远程操作，完全满足逐级远程送电的要求。

5)满足开关同时跳合闸对后备电源的需求。正常运行时，高压配电装置对后备电源的能量消耗并不大，每台开关功率不会超过10 W，但同时跳合闸时需要电源提供较大的瞬间能量。分散式后备电源用高能电容储能，每台开关有独立的后备电源，能瞬间释放出较大的能量，可满足多台开关同时跳合闸的要求。而隔爆型UPS一般按照额定负载的80%选配,其弹操机构或永磁机构的高压配电装置在同时动作时(比如失压跳闸后)，电动机启动储能和电容充电瞬时电流要达到额定电流的2～5倍，会远远超过隔爆UPS逆变输出最大电流和过电流值，造成UPS中断输出甚至损坏[4]。

6)易扩容易搬迁。井下变电所会随着负荷的变化而扩容或高压配电装置搬迁，安装了分散式后备电源的开关，无论搬迁到哪里都不会失去后备电源。

3 通信设备对后备电源的要求

井下变电所除了高压配电装置外，变电所内的电力分站、摄像仪、交换机以及其他分站类等监控通信设备也需要后备电源，便于在停电后，地面依然能看到变电所的视频，并与井下保持信息传输通道的畅通。

监控通信设备是稳定负载，不会变化很大，而且需要在变电所停电后，具有较长时间的续航能力。故监控通信设备的后备电源可选择采用矿用隔爆兼本质安全型的锂离子蓄电池电源[5]。

3.1 监控通信设备功率估算

变电所一般配置电力分站、环网交换机、无线基站、两台摄像仪以及应急照明灯。各类设备的功耗按下列估计数值计算，变电所监控通信设备的总功耗为：

环网交换机(<40 W)+电力分站(<30 W)+无线基站(<10 W)+2台摄像头(<15 W)+ 变电所应急照明(<40 W)<140 W；

3.2 监控通信设备的容量需求

1) 如果选择变电所所有监控通信设备配置持续12 h的后备电源，需要电能为12×140=1 680 Wh。逆变效率按80%，则电池容量为1680÷0.8=2 100 Wh。也就是电池容量在2 000 Wh左右，就可以满足一般变电所监控通信设备12 h的供电需求。

2) 变电所监控通信设备的后备电源选择2 000～2 200 Wh电池容量的隔爆兼本质安全型锂离子蓄电池电源(隔爆UPS电源)比较合适。

3) 在个别变电所有更大的负载或需要更长的持续时间时，可采用2台甚至多台后备电源级联使用。

这种中容量隔爆UPS电源最大的特点就是体积小、质量轻、易部署、积木式，按需配置容量，投资也省。

4 结论

根据研究分析，井下变电所后备电源的最佳配置方案为：分散式后备电源+积木式中容量(2 000 Wh左右)的隔爆UPS电源。

高压配电装置中安装分散式后备电源，变电所监控通信设备可选择隔爆UPS电源，若监控通信设备要求有更长的续航时间时，则可配置多台中容量隔爆UPS，通过级联供电来实现。