淺談快速切換裝置在煤礦通風系統中的應用

閆靈俊

(汾西礦業集團公司企管處，山西 介休 032000)

電能是煤礦生產的主要動力來源，而安全、高效、可靠的供電系統是煤礦安全生產的保證。如何保證煤礦安全供電是煤礦安全生產的重中之重。煤礦系統的主要機電設備中斷供電，不僅會影響煤礦的安全生產，而且會嚴重威脅到礦工人身安全。比如，突然中斷礦井供電會使礦井主通風設備停止運轉，導致井下瓦斯氣體大量聚集，進而危及礦工生命及礦井的安全。因此，對礦井供電提出的基本要求第一條即是供電可靠，而供電可靠就是要求供電電源不間斷。本文探討了在實踐中如何做到不間斷供電。

1 煤礦主通風機現供電狀況

目前，汾西礦業集團公司各礦主通風機供電系統一般采用單母分段供電方式，其接線圖可簡化為如圖1所示。圖1中進線1、2可以是線路、變壓器、線路－變壓器組等對母線進行供電的變配電設備的一種。

系統正常運行時，基本有三種工況:1)分列運行，進線1和進線2各帶一段母線，即進線開關1DL、2DL閉合，母聯開關3DL斷開。2)進線1帶兩段母線，即1DL、3DL閉合，2DL斷開，進線2熱備用。3)進線2帶兩段母線，即2DL、3DL閉合，1DL斷開，進線1熱備用。

兩段母線分別攜帶主、副風機。個別礦井中，3DL僅為隔離刀閘。

2 煤礦主通風機供電方式的改進方案

圖1 單母分段主接線示意圖

1)解決該集團公司主通風機供電可靠性的主要辦法是一次系統采用雙路或多路供電，再輔以二次系統采用備自投裝置。但在實際應用中，備自投裝置存在以下問題:

a)切換時間長，在恢復送電前，主扇風機等設備可能已停轉。

b)切換期間，沖擊電流較大，風機負荷及供電設備極易受沖擊而損壞或使絕緣老化縮短使用壽命。

c)自投成功率低。

d)如果為母線永久性故障，還會擴大事故范圍。

鑒于以上原因，目前，該集團公司各礦井均未投入使用此類裝置，在現階段若發生礦井無計劃停電事故，采用的仍是人工恢復送電。這種事故處理模式需要一定的固有時間，在這固有的時間內，對于高瓦斯礦來說，個別局面就可能出現瓦斯超限。另外，現場人員的專業素質對事故處理快慢、恢復送電所用時間長短也起著至關重要的作用。因此，研究高瓦斯礦井供電系統發生故障時如何快速恢復就顯得非常重要。

為此，該集團公司組織相關人員對其它同行系統調研，并與一些有實力的廠家合作，研發新一代多功能快切產品(電源快速切換裝置)，應用于3個高瓦斯礦井，以求供電可靠性得到進一步提高。

2)具體切換方案。

a)系統正常運行時，采用工況1供電時，安裝一套電源快速切換裝置，無論何種原因當進線1(或進線2)失電時，快切裝置動作合上母聯開關，投入到另一側進線電源，保證風機不停轉。

b)系統正常運行時，采用工況2或工況3供電時，即母聯開關在合位或母聯為刀閘，或無母聯時，安裝一套電源快速切換裝置，無論何種原因當進線1(或進線2)失電時，快切裝置動作，投入另一側進線電源，保證風機不停轉。

3 快切裝置的原理及部分功能

3.1 快切裝置的原理

如圖1所示，當進線1或進線2發生故障時，保護動作，跳開1DL或2DL后母線1或母線2失電，電動機將惰行。對單臺電機而言，工作電源切斷后電動機定子電流變為零，轉子電流逐漸衰減，由于機械慣性，轉子轉速將從額定值逐漸減速，轉子電流磁場將在定子繞組中反向感應電勢，形成反饋電壓。此時的母線電壓即為多臺電動機的合成反饋電壓，俗稱殘壓。母線殘壓與備用電源角差和幅值示意圖見圖2。

圖2 母線殘壓與備用電源角差和幅值示意圖

由于殘壓的存在，為了防止備用電源合閘時造成的沖擊，在失電剛發生時，通過控制合閘時的頻差和相角差，快速合上備用電源，這就是所謂的“快速切換”，適合快速切換的時機在圖2中以區域1表示。在區域2，殘壓與備用電源電壓處于第一次相位重合點附近，如果能在此時合閘，則對電動機的沖擊也不大，電動機將很快進入穩定點，轉入正常運行，這就是所謂的“同期捕捉”。當然，實際應用中，由于殘壓頻率變化的非線性，加上測量的離散性和間斷性，以及開關跳合閘時間的測量誤差，并不能做到精確在同相點合閘。理論分析和長期的應用實踐表明，只要誤差小于一定范圍，如合閘角控制在±5°，就能使電動機受到的沖擊較小，滿足實用要求。

區域3則屬于電壓接近無壓的區域，此時合閘(殘壓切換的定值一般為25% ～40%)對電動機的沖擊已不大，傳統的備自投就是工作在這一區域。當然，此時合閘電動機的轉速已很低，對生產的影響是不可避免的。

根據以上所述，在區域1、2合閘，對電動機和生產影響都不大。在區域3合閘，雖然對電動機影響不大，但對生產就構成了一定的影響。因此，要掌握好合閘時機，首先從快切裝置的起動方式分析。

3.2 合備用開關的方式

合備用開關的方式有:快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長延時切換。

快切裝置的起動方式有手動起動、保護起動、誤跳起動、失壓起動、無流起動及逆功率起動方式。

3.3 快切裝置的切換方式

快切裝置在起動后，會按照一定的順序操作工作電源開關和備用電源開關。其切換方式有串聯、并聯、同時三種方式。其中串聯切換多用于事故情況下的自動切換，并聯切換適用于進線檢修時的人工倒閘或故障后手動恢復，同時切換可用于事故情況下的自動切換。

3.4 備用開關合閘的實現方式

裝置在起動后，會按照預定的切換方式跳開工作開關和合上備用開關。無論哪種切換方式都涉及到合備用開關的操作。

4 現場效果

裝置安裝以后，通過現場帶負荷試驗和3個月的運行實踐，裝置快速切換功能良好、動作正確、運行穩定，大大提高了高瓦斯礦井安全供電的可靠性。