礦井安全監控備用電源系統發展現狀及趨勢

蔣波

摘 要：從組成備用電源系統的蓄電池和電源管理系統入手，分析礦井安全監控備用電源系統的現狀，并在結合礦井特殊的應用環境的基礎上，對影響備用電池失效的關鍵機理因素進行分析，指出礦井安全監控備用電源系統研究的發展趨勢，即優化電池選型，優化充電技術，監控智能化及自適應，網絡組建，集成化、高密度化及高頻化，備用時間延長等，為進一步研究提供新的思路。

關鍵詞：電源管理；備用電源；充電；安全監控

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-0108-03

Development Status and Tendency of Mine Safety

Monitoring Standby Power Supply System

Jiang Bo

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract： From the composition of standby power supply system of the battery and power management system of introduced the current situation of the development of the non-mine field， the status of the standby power supply system of mine safety monitoring was analysed， and based on the special application environment of mine， the key mechanism of backup battery failure factors were analyzed， and the development trend of the standby power supply system of mine safety monitoring was pointed out， to optimize the battery selection， optimization of charging technology， intelligent control and adaptive， network construction， integrated， high density and high frequency， extend the standby time， and so on， to provide new ideas for further research.

Keywords： power management；standby power；charging；safety monitoring

煤礦安全監測監控系統是煤礦安全生產的重要保障措施[1]，而系統的備用電源在系統正常工作和安全保障中的作用尤其重要，正確地監控和測量蓄電池的工作狀態、提高礦井監控系統備用電源的性能從而更好地為煤礦的安全服務，意義重大。備用電源一般由蓄電池和電源管理系統組成，就目前市場上主流產品而言有四類電池[2-6]，即鉛酸蓄電池（LA）、鎘鎳蓄電池（Nicd）、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。由于價格和工藝成熟，礦井監控系統備用電源一直都是以鉛酸電池為主，隨著鎳氫和鋰離子電池在理論、工藝方面取得了突破，應用將越來越廣，而鎳鎘電池由于無法擺脫明顯記憶效應困擾，故其應用將受限制。

1 礦山備用電源系統發展現狀

國內多數礦井監控系統的電源結構如圖1所示，其備用電源的使用與普通行業備用電源的區別如下。①備用電池的使用條件較為惡劣，人為進行定期保養和維護較為不便；同時，電池處于密封的狀態，沒有良好的通風條件，這是與普通行業備用電源使用時的最大區別。②礦井監控系統備用電源的輸入電壓等級較多，如660、380、127V等；而井上備用電源的輸入電壓等級一般為110、220V兩種[7]。③礦井監控系統備用電源的輸出一般沒有交流逆變環節，直接經過開關電源變壓后進行安全處理，輸出本質安全型的直流電源；而普通行業備用電源一般給用電設備提供交流電。

目前，國內監控系統備用電源的蓄電池大多都使用閥控鉛酸電池，但鉛酸電池在使用過程中可能釋放電解氣體，廢舊的鉛酸蓄電池回收困難，利用成本較高[7-8]。此外，大多數充電電池是單獨直接作為電源系統使用的，用戶無法知道電池的狀態，如電池遇過壓、過充、過放、過流及溫度超限等問題，輕則會對電池造成大的損壞，嚴重時甚至可能發生爆炸危險，這就對電池的管理和保護提出了更嚴格的要求。

[交流輸入][變壓器][開關電源][安全柵][本安輸出][電源監控][電池]

圖1 礦井監控系統的電源結構

2 備用電源系統失效機理

目前，礦井的環境較為惡劣，監控分站一旦安裝就很少再進行維護，而電池又被內置于密閉的腔體內，因此對備用電源的要求越來越高。備用電源系統失效的原因總結如下。

2.1 電池本身的因素

包括備用電池的類型、容量大小、設計壽命等本身選取的制約。目前，國內絕大部分廠家所使用的電池均為鉛酸電池，隨著制造工藝的改進和科學研究的深入，密閉閥控式VRLA電池得到廣泛的應用，但無法克服比能量低、壽命短、使用過程中易析出氫氣等缺陷。

2.2 充電和監控方式的因素

用單純的恒壓、恒流或者恒壓限流的充電效果都不好，恒壓充電的缺點為電流不可控，初期電流較大、易損壞電池或充電設備；相對可接受電流而言，恒流充電前期電流過小，而充電后期電流過大，充電時間長，析氣多；恒壓限流充電沒有進行預充電。目前，監控系統備用電源的智能監控還遠遠不夠完善，正確地監控備用電源的工作狀態，能使用戶對整個系統的了解更加深入，也便于對備用電源及系統進行修護。

2.3 環境溫度的因素

電池本身在充放電時會因為化學反應而發熱，特別是大電流充放電時發熱現象更加明顯，腔體內工作的電子元器件會發熱，部分區域的腔體外部環境溫度高，會導致部分備用電池所處的環境溫度較高?；诎⒗锛~斯原理，電池在環境溫度大于40℃時，溫度升高10℃，壽命則降低50%。

2.4 放電因素

停電頻繁會導致備用電池經常處于充放電循環狀態，必將加速電池的老化，若電池經常不能達到充滿的狀態，則會大為縮短電池的使用壽命；負載重則導致放電電流過大，放電時間短，發熱嚴重，甚至發生熱失控而損壞電池。

2.5 其他因素

如存儲時間過長、串聯電池組的個體差異性嚴重而導致整組電池的性能受影響等。

綜上所述，備用電池的使用性能和安全性能除了與使用環境溫度、儲存時間、放電深度諸多外界因素相關外，更重要的是還與電池本身的內因、充電方式和監控維護方式密切相關。

3 發展趨勢

為了提高能量利用效率、加快充電速度、不影響備用電池使用壽命，新型高效、快速、無損的充電技術已成為現代電力電子技術備受關注的一個研究方向[5，9]。目前，充電監控設備的研究方面發展趨勢如下。

3.1 優化電池選型

①蓄電池的種類多樣，不同化學反應機理的電池不能一一通過實驗的驗證，只能在總結前人研究的基礎之上，通過理論分析來初步選擇實驗的電池。

②同種化學反應機理的電池，因廠家技術水平和電池應用專業方面的不同，呈現出一定的差異性，需要確定合理的調研范圍和方式，以免出現不當和漏洞。

③隨著科技的進步，目前認為有使用缺陷的電池可能會通過技術手段來改進；將來還會有新型電池涌現，故在某一時期所得出的結論只能作為該技術水平下電池選型的參考意見。

3.2 優化電池充電技術

用脈沖快速充電可以削弱蓄電池充電的極化現象，增大蓄電池的可接受電流從而縮短充電時間；單個蓄電池的電壓與容量有限，蓄電池多個串聯或并聯使用時，各個單體電池間的不一致性會使蓄電池充電不均衡，導致蓄電池組壽命縮短。因此，可考慮對電池實現對串聯蓄電池組的各單體電池進行均充，具體實現方法包括：①附加一個并聯均衡電路，以起到分流的作用；②充電前對每單體逐一通過同一負載放電至同一水平，然后再進行充電；③定時、定序、單獨對蓄電池組中的單體蓄電池進行檢測及均勻充電。

3.3 監控智能化及自適應

監控智能化及自適應主要體現在對被充電電池的自適應性、容量的準確預測和對環境的自適應性方面，具體表現為能識別充電電池的類型，能檢測當前狀態，并根據被充電電池的這些信息自動生成最佳充電曲線，保證在最短時間內高效地將電池充滿。

3.4 網絡組建

當前，煤礦安全監控系統的備用電源多數為單個獨立的備用電源，把多臺監控設備的備用電源與上位PC機連接，實現方式為電源監控單片機與監控分站單片機實現雙向收發，通過監控分站實現與上位中心站的通訊，在地面監控中心的上位機監控整個充放電過程，還可以利用PC機的強大計算功能分析實驗數據從而改進充電方法。

3.5 集成化、高密度化及高頻化

備用電源中功率器件的元件需要微型化、密集化。功率器件集成在單片IC中，從而使系統控制、驅動、保護、檢測和末級功率放大集成為一體；提高主功率變換器件的開關速度，可明顯減少磁性變壓器材料和大電解電容體積、重量等，這也使開關器件的研制從改進電壓、電流的兩維體系發展到提高頻率的三維體系。

3.6 備用電源時間延長

備用時間延長的方式可通過增大電池容量、降低負載功耗等方式，從備用電源系統方面考慮，則需要考慮選用更大比容量的電池，并提高電源轉化效率。

4 結語

本文針對礦井安全監控備用電源系統的現狀，結合礦井特殊的應用環境，對影響失效的關鍵機理因素進行了分析，提出了其研究的發展趨勢，即優化電池選型，優化充電技術，監控智能化及自適應，網絡組建，集成化、高密度化及高頻化，這對于延長蓄電池的壽命具有十分重要的意義，同時為進一步研究提供了新的思路和建議。

參考文獻：

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[2]廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等.電池管理系統國內外現狀及其未來發展趨勢[J].汽車工程，2006（10）：961-964.

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[4]王大瑞.鋰電池智能管理系統[D].濟南：山東大學，2006.

[5]趙鍵.基于智能控制技術的鉛酸蓄電池充電設備的研究[D].南京：南京理工大學，2008.

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