局部通风机不间断供电装置的研究

李 辉

（西山煤电建筑工程集团矿建第一分公司，山西 太原 030053）

引言

局部通风机是保障掘进工作面通风安全的设备，其供电可靠性是关系到安全生产的重要指标。《煤矿安全规程》对局部通风机的供电做出了“三专两闭锁”的明确规定，“三专两闭锁”的供电方式提高了局部通风机的可靠性，但是仍然存在安全隐患。当主局部通风机的专用电源出现故障跳闸时，主局部通风机瞬间失电停转，若此时备用通风机出现风电闭锁或瓦斯闭锁，则备用局部通风机的电源也会切断，造成工作面通风机双停现象，此时必须停止生产，撤出人员，待瓦斯浓度恢复到安全限值以内方可继续作业[1-2]。针对上述局部通风机双停现象，本文设计了一种以蓄电池作为动力源，以DC/DC 变换器和PWM 变流器为电能转换装置的不间断电源，该电源平时工作在备用状态，为蓄电池充电，在主局部通风机失电后投入运行，为主通风机提供短时不间断电源，提高了通风系统的可靠性。

1 正常供电方式

在高瓦斯煤矿中，局部通风机非常重要，为保障巷道通风安全，一般都配置两组，通过自动切换装置连接，在主局部通风机无法启动时自动切换备用局部通风机。井下局部通风机的供电结构为“三专两闭锁”，主局部通风机由地面变电所经专用隔爆开关、专用变压器和专用总馈电开关直接供电，不经过井下采区变电所，在正常工作情况下由主局部通风机供风。备用局部通风机由井下采区变电所经动力变压器、总馈电开关和专用供电线路供电，在主局部通风机停用5 s 后启动。两闭锁指的是风电闭锁和瓦斯闭锁，瓦斯传感器经瓦斯电闭锁连线接入掘进馈电开关控制回路，当工作面瓦斯浓度超过1%时切断动力供电线路，只保留局部通风机通风作业，待瓦斯浓度降至安全范围内，方可恢复动力电源。主局部通风机的风量检测装置经风电闭锁连线接入掘进馈电开关控制回路，当风量不满足要求或风机停转时，掘进馈电开关无法闭合，以保障通风安全，当主局部通风机启动且风量达到工作面通风要求后，风电闭锁解除，掘进馈电开关方能闭合，掘进设备才能获得动力电源。“三专两闭锁”的供电方式能够避免主局部通风机专用电源故障引起的瓦斯聚集，动力电源和备用局部通风机正常工作情况下可以实现风电闭锁或瓦斯闭锁。但是考虑到更恶劣的情况，井下采区供电所的总馈电开关保护动作跳闸后，备用局部通风机失电，主局部通风机专用电源发生故障后则无法通风，将导致瓦斯超限[3-4]。

2 不间断电源机制

在备用局部通风机启动前，若触发了风电闭锁或瓦斯闭锁，将会导致工作面无通风设备工作的局面，因此为了提高局部通风机供电系统的可靠性，为主局部通风机设置一套不间断电源是十分必要的。不间断电源通过馈电开关接入专用电源母线，为了防止不间断电源向地面变电所反送电，在地面变电站的继电保护加入该不间断电源的逻辑判断。将主风机专用电源故障状态量、专用总馈电开关状态量和主风机馈电开关状态量按照逻辑“与”运算，作为不间断电源的启动信号[5-6]。即按照不间断电源的工作逻辑，启动条件除了专用电源故障停电，还应判断主通风机故障状态、专用馈电开关及线路故障状态，以免不间断电源投入时对供电系统或设备造成二次伤害。不间断电源启动机制如下页表1 所示，共分为4 种工作模式：模式1 为系统正常运行方式，主通风机正常工作，备通风机备用，不间断电源备用；模式2为专用电源正常，主通风机故障导致馈电开关分闸，在没有触发闭锁的情况下备用通风机正常投入，不间断电源备用；模式3 为专用电源故障导致馈电开关分闸，主通风机失电停转，备用通风机投入，不间断电源备用；模式4 为专用电源故障，馈电开关未跳闸，此时不间断电源应立刻投入，主通风机在此电源带动下工作一段时间，待备用通风机正常投入后退出运行，进入模式3，实现通风系统的无缝衔接。

表1 不间断电源启动机制

3 不间断电源结构

不间断电源有备用和投入两种工作模式：备用模式下，不间断电源的控制器实时监测蓄电池存储电量状态，当电池组电压低于限值时启动充电功能，为蓄电池补充电能；投入模式下，由蓄电池提供稳定的直流电，通过逆变装置进行电能变换，输出三相交流电带动主通风机工作。不间断电源结构与接入方式如图1 所示，由储能电池组、双向DC/DC 功率变换器和PWM变流器组成。不间断电源通过专用馈电开关与主局部通风机并联接入专用总馈电开关，然后接入煤矿配电网[7]。

图1 不间断电源结构与接入方式

3.1 蓄电池组

蓄电池具有可靠性高、启动速度快、技术成熟等优点，是最常见的储能器件之一。常用的蓄电池有铅酸蓄电池、锂电池和其他新型电池等，铅酸蓄电池是应用最广泛的蓄电池，具有成本低、回收技术成熟等特点，但是在大电流充放电时常出现硫酸盐化现象，降低电池性能和寿命。锂电池具有比能量高、充电功率范围大的优点，但是目前受限于成本未能大规模应用于动力电池领域[8]。考虑到本不间断电源的深度充放电次数较少，大多数情况为“浅充浅放”工作模式，因此本文选择新型铅炭电池作为储能器件。铅炭电池在充电深度为30%时可达到3 500 次充放电，经计算普通铅炭电池的应用寿命约为10 年，完全满足通风机电源的要求，具有较长的使用寿命和经济性。电池组作为储能原件，提供通风机30 min的电源供电，根据主通风机的功率确定电池组设计，包括单体个数和容量。

3.2 功率变换系统PCS

功率变换系统PCS 是不间断电源的核心组件，其中双向DC/DC 变换器的作用是投入时将电池组的直流电转换为PWM 变流器的直流母线电压，备用充电时从PWM变流器获取能量，存储在电池组内，实现功率双向流动。PWM变流器在投入时将直流电变换为交流电，供风机使用，在充电时将系统的交流电变换为直流电，为DC/DC 模块充电提供能量。传统不间断电源的充电模块和逆变模块相互独立，不能同时实现功率双向流动，并且整流单元还会向配网注入大量谐波和无功，引起功率因数低、电源电压畸变等问题。功率变换系统PCS的交流侧通过LC 滤波器与配电网相连，直流侧与电池组相连，无论是整流还是逆变过程，该变换器均能实现单位功率因数运行，同时还有消除谐波和避免系统谐振的功能。DC/DC 变换器工作在降压模式时，蓄电池组的充电状态有浮充、恒压充和恒流充三种模式，DC/DC变换器工作在升压模式时，蓄电池电压被泵升，为逆变提供直流电。

4 结语

为提高井下工作面安全性，防止主通风机专用电源故障情况下，备用通风机出现瓦斯闭锁和风电闭锁而未能及时启动，出现失去通风的现象，设计了一种适用于局部通风机的不间断电源。该不间断电源以蓄电池为储能装置，通过双向DC/DC 变换器和PWM 变流器，将直流电逆变为三相交流电，带动主通风机工作，避免出现失去通风，使主备通风机之间的无缝衔接，提高了局部通风机的可靠性，优化了井下配电网结构。