矿井局部通风机多路输出智能分级切换应急后备电源装置的研发与应用

张晓迁

摘要：在矿井采区变电所高、低压“双回路”停电后，若无法及时恢复局部通风机的供电，则容易导致掘进工作面局部通风机停运而引发瓦斯聚集超限，嚴重威胁工作人员的人身安全。因此，为提高煤矿井下局部通风机供电的稳定可靠性，结合厂家研发的井下局部通风机多路输出智能分级切换应急后备电源，解决了矿井采区变电所高、低压“双回路”停电后造成的局部通风机停运事故，能够快速切换恢复掘进工作面局部通风机的供电，保证井下局部通风机正常运转。

关键词：煤矿机电装备；供电系统；局部通风机；应急后备电源装置

中图分类号：TD611.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）35-0058-03

Development and Application of Multi Output Intelligent Hierarchical Switching Emergency Backup Power Supply Device for Mine Local Fan

ZHANG Xiaoqian（Dashu Village Mine of Jizhong Energy Fengfeng Group， Handan Hebei 056100）

Abstract： After the high-voltage and low-voltage "double circuit" power failure of the substation in the mining area of the mine， the power supply of the local ventilator cannot be restored in time， resulting in the shutdown of the local ventilator in the heading face， resulting in gas accumulation exceeding the limit， which seriously threatens personal safety. Therefore， in order to improve the stability and reliability of the power supply of the underground local ventila？ tor， combined with the underground multi output intelligent hierarchical switching emergency backup power supply of the local ventilator developed by the manufacturer， our mine has solved the shutdown accident of the local ventila？ tor caused by the high and low voltage "double circuit" power failure of the substation in the mining area， and can quickly switch and restore the power supply of the local ventilator in the heading face， ensure the normal operation of underground local fan.

Keywords： coal mine electromechanical equipment；power supply system；local fan；emergency backup power supply de？ vice

1基本情况

在煤矿生产中，“一通三防”工作是决定矿井安全生产的关键性因素。冀中能源峰峰集团大淑村矿掘进工作面采用“三专两闭锁”主、备双局部通风机供风，供电电源分别取自采区变电所的不同母线段。正常情况下，主扇工作，备扇备用[1]。当主扇一路供电电源掉电后，备扇自动切换运行。即使如此，在矿井遇到自然灾害及设备故障造成矿井采区变电所高、低压“双回路”停电后，若无法及时恢复局部通风机的供电，则容易导致掘进工作面局部通风机停运引起瓦斯聚集超限，严重威胁工作人员的人身安全。为提高煤矿井下局部通风机供电的稳定可靠性，在遇到矿井采区变电所高、低压“双回路”停电后，如何能快速切换恢复掘进工作面局部通风机的供电，防止瓦斯集聚超限，已经成为机电专业工作的重中之重。结合厂家研究开发的局部通风机多路输出智能分级切换应急后备电源，该矿解决了矿井采区变电所高、低压“双回路”停电后造成的局部通风机停运事故，保证了井下局部通风机的正常运转。

2研究过程

2.1项目实施的目的和意义

①避免因矿井供电系统出现故障，发生高、低压“双回路”停电而引发的局部通风机停运事故。②分析“三风机、三电源”在井工煤矿局部通风机中运用的优势，研究局部通风机系统在井工煤矿中的运用方法。③主、备扇均停电的情况下，局部通风机应急后备电源系统能够智能自动投入运行，并且多路输出分级控制，向不同掘进工作面的应急局部通风机供电，保证其正常运转。④实现由地面控制室远程监测、控制等功能。

2.2项目现状

现在各矿井掘进工作面采用“双局部通风机、双电源”局部通风模式，且正常工作的局部通风机采用三专（专用开关、专用电缆、专用变压器）供电。大部分矿井下局部通风机供电电源受条件所限，均取自同一变电所的两段母线。变电所定期检修过程中会出现单电源供电的情况，一旦电源停电，可能会造成掘进工作面停风而引发瓦斯超限的事故。

3实施方案

3.1装置组成

局部通风机多路输出智能分级切换应急后备电源由NJ-90/960f矿用隔爆兼本质安全型通风机逆变器（额定功率90 kW，输出交流660 V电流90 A）、3组DXT320/ 210防爆特殊型电源装置（单组电池电压320 V，3组电池总电压960 V）及ZJC80/504K（A）矿用隔爆兼本安型充电机组成。

3.2系统配置

系统采用矿用隔爆兼本安型充电机向3组防爆特殊型电源装置充电，充满电后由电池组向矿用隔爆兼本质安全型通风机逆变器供电。逆变器智能监测主、备扇馈电开关带电运行情况，当发生停电后，由逆变器向应急局部通风机供电，保持掘进工作面持续供风。系统配置流程如图1所示。

3.3技术关键

蓄电池局部通风机应急后备电源采用3个隔爆型特殊电源装置串联输出直流960 V电源给逆变器供电，智能监测局部通风机主、备扇馈电开关带电合闸运行情况。当主、备扇馈电开关分别都失电掉闸后，逆变器自动切换投入运行，输出660 V交流电向应急局部通风机供电，保证局部通风机正常运行，在一定时间内确保井下掘进巷道的空气不间断供给。当任意一路主、备扇馈电开关恢复供电时，逆变器由运行自动切换至备用。

4系统特点

①实现主备扇均停电情况下，局部通风机应急后备电源系统能够智能自动投入运行，向应急局部通风机供电，保证局部通风机正常运转。②在掘进工作面安装第三台应急局部通风机，在矿井两路供电都发生故障时自动切换运行，极大地提高了局部通风机的可靠性。③实现局部通风机馈电开关的电源实时监测。④实现由地面控制室远程控制逆变器启、停功能，可同时带动3个掘进工作面的应急局部通风机，实现了多路输出智能分级切换启动。

5工作原理

局部通风机多路输出智能分级切换应急后备电源安装在采区变电所或配电点专用回风巷附近，采用3个隔爆特殊型电源装置串联输出直流960 V电源给逆变器供电，智能监测局部通风机主、备扇分切馈電开关带电合闸运行情况。当任意一路主、备扇馈电开关分别同时失电掉闸后，逆变器自动切换投入运行10 s后输出660 V交流电源向第三台应急局部通风机供电，同时在另一路主、备扇馈电开关也发生掉闸失电后，逆变器由运行切换至停止，再次启动输出两路电源向故障的两路掘进工作面应急风机供电。当任意一路主、备扇馈电开关恢复供电时，逆变器自动由运行切换至停止，再次启动只对故障的另一路输出供电。在两路主、备扇馈电开关的任意一台主、备扇开关恢复供电时，逆变器自动切换至备用。

6创新点

①主、备扇馈电开关采用智能电压监测技术，在发生矿井采区变电所高、低压“双回路”停电时，主、备扇馈电关失电掉闸后，逆变器自动由备用切换至运行。当任意一路主、备扇馈电开关恢复供电时，逆变器由运行自动切换至备用[2]。

②电机软启动。电机硬启动时会产生大电流，对电池造成严重的冲击，缩短了电池的使用寿命。使用智能逆变器后，逆变器的软启动功能将使启动电流从零开始变化，最大值不超过过流保护值，降低了对电池的要求和后续的维护费用。

③实现了由地面控制室远程控制逆变器启、停功能[3]。

④可同时带动3个掘进工作面的应急局部通风机运行，做到了多路输出智能分级切换启动[4]。

⑤逆变器具有高输出转矩、低噪声的特点，内置DTC控制功能，具有软启动特性，可根据现场局部通风机运行工况进行变频调速[5]。

⑥逆变器具有多种保护功能。短路保护：逆变器输出端任意两相出现短路时，逆变器不能工作，且有故障显示。缺相保护：输入缺相时，逆变器不能启动；输出缺相时，应停止输出，且有显示功能。过载保护：当加载至1.2倍额定电流时，应在5 min内执行保护动作，封闭输出，并且有故障显示。过压、欠压保护：当输入电压高于额定电压的110%时，执行过压保护动作并且有故障显示；当输入电压低于额定电压的85%时，执行欠压保护动作并且有故障显示。IGBT过热保护：当IGBT散热片温度超过75℃时，逆变器掉电，且有故障显示。

⑦智能逆变器输出至风机的引出线可长达800 m，保证局部通风机可靠运行。

7应用情况

7.1安全效益

我国煤矿每年因供电系统导致局部通风机停运而引发的掘进工作面瓦斯超限事故屡见不鲜，给个人、企业及社会带来了巨大的伤害和损失。采用应急后备电源装置，提高了矿井供电系统的稳定性及可靠性，有效避免了因矿井井下采区变电所高、低压“双回路”停电造成局部通风机停运瓦斯超限事故，为矿井的安全生产打下了坚实基础，给企业带来了巨大的安全效益。

7.2经济效益

采用蓄电池发电，再由逆变器输出660 V交流电源，造价成本低，维护及使用简单，运行可靠稳定。在发生井下采区变电所高、低压“双回路”停电事故后，可维持掘进工作面单台2×30 kW局部通风机供电5 h以上，确保了煤矿职工的人身安全，避免了重大灾害事故的发生，可大幅降低直接经济损失，其经济效益不可估量。

7.3社会效益

煤矿生产中最重要的生产环节就是“一通三防”，煤矿供电系统的稳定性直接影响矿井“一通三防”的工作。应急后备电源装置运行稳定可靠，彻底解决了因井下采区变电所高、低压“双回路”停电造成局部通风机停运引起瓦斯超限事故等问题。该装置运行效果良好，结构简单，维修、操作方便，大大提高了矿井井下局部通风机供电系统的安全性和可靠性，具有显著的社会效益和广泛的应用前景。

8结语

整个系统设计先进，保护性能完善可靠，安全性能显著提高，解决了在矿井采区变电所高压、低“双回路”停电后无法及时恢复局部通风机的供电，从而导致掘进工作面局部通风机停运而引发瓦斯聚集超限事故的问题。自安装投入运行以来，系统运行效果良好，优点突出，保证了矿井局部通风机的安全运转，提高了供电系统的稳定性，具有显著的社会效益和广泛的推广应用前景。

参考文献：

[1]宋建成，贺天才，高玉斌，等.基于PLC控制的三巷掘进多局部通风机集成控制系统[EB/OL].（2004-09-19）[2021-10-26]. https：//kns. cnki. net/kcms/detail/detail. aspx？ dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000000063294&uniplatform=NZ KPT&v=TjRX_0fSS4sf2ZasO0ctaZQ964mlLMUUzF6XMvJ9 YWniusEsdt3ydQAUM3QwDCyVtL97s_cnV2U%3d.

[2]山东省七五生建煤矿.矿用采掘工作面局部通风机移动智能电站：CN200720029200.5[P].2007-10-25.

[3]张蓉.浅谈KJ95N安全监控系统应急预案的应用[J].科技视界，2014（24）：299.

[4]魏忠喜，黄友鹤.煤矿井下局部通风机控制系统供电可靠性研究[J].煤炭技术，2020（4）：192-194.

[5]吾布里·阿依丁，郭辉，季书文.井下工作面双局部通风机自动切换控制系统的设计[J].工矿自动化，2011（11）：110-112.