煤礦井下變電所后備電源配置方案的選擇

張朝平，付志勇

(上海山源電子科技股份有限公司，上海 201612)

0 引言

我國(guó)煤礦目前正在大力進(jìn)行井下變電所無(wú)人值守建設(shè)，其中變電所后備電源建設(shè)是保證井下無(wú)人變電所正常運(yùn)行的重要內(nèi)容。若沒有一個(gè)可靠的備用電源，高配電裝置可能不能跳閘切除故障，或者由于電壓波動(dòng)引起失壓脫扣線圈動(dòng)作而誤跳；不能在井下停電時(shí)，做到通信上通下達(dá)，也不能接收地面的指令進(jìn)行必要的操作。

井下變電所，不同的設(shè)備對(duì)后備電源的要求不同，方案選擇也會(huì)不同，本文對(duì)此作了探析。

1 高壓配電裝置對(duì)后備電源的要求

目前高壓配電裝置采用開關(guān)中的PT給保護(hù)器、跳閘線圈、失壓脫扣線圈等控制部件供電，往往會(huì)由于短路、大負(fù)荷啟動(dòng)、電壓波動(dòng)等造成開關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)，嚴(yán)重影響供電安全。因此，要實(shí)現(xiàn)變電所無(wú)人值守，就必須要解決高壓配電裝置的后備電源問(wèn)題。具體要解決3個(gè)方面的問(wèn)題：

1)保護(hù)器后備電源。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或電網(wǎng)完全失電后，保護(hù)器應(yīng)能正常工作，并能判斷故障和驅(qū)動(dòng)繼電器跳閘，把事故后的信息傳輸?shù)诫娏Ψ终竞偷孛姹O(jiān)控中心。這就要求保護(hù)器具備后備電源，能無(wú)抖動(dòng)切換，確保后備供電時(shí)間20 s左右。

2)跳閘線圈后備電源。在高壓配電裝置近端如果發(fā)生短路，母線電壓降低時(shí)，即便是保護(hù)器運(yùn)行正常，繼電器出口跳閘，也會(huì)因跳閘線圈的供電電壓過(guò)低而跳不開開關(guān)。這就要求為跳閘線圈配備后備電源，確保保護(hù)出口跳閘后，跳閘線圈也能有足夠的能量跳開開關(guān)。跳閘線圈對(duì)后備電源的要求是能確保跳閘線圈有跳閘1次的能量[1]。

3)失壓脫扣線圈后備電源。在高壓配電裝置近端短路或雷擊等引起電壓波動(dòng)時(shí)，需要后備電源能給失壓脫扣線圈提供足夠的電壓，以避免失壓脫扣誤跳開關(guān)而造成不必要的停電，而在系統(tǒng)真正停電時(shí)后備電源的能量又能很快消耗掉，讓失壓線圈可靠脫扣而跳開開關(guān)。失壓脫扣線圈對(duì)后備電源的要求是確保5 s以內(nèi)的穩(wěn)定電壓即可。

2 高壓配電裝置后備電源的選擇

2.1 分散式后備電源

分散式后備電源分散安裝在每臺(tái)高壓配電裝置中，在交流電壓過(guò)低或失壓時(shí)，用于給保護(hù)器、跳閘線圈和失壓脫扣線圈供電，以保證保護(hù)器能可靠地切除故障，并將故障信息傳輸給電力分站和地面監(jiān)控中心；同時(shí)，也避免失壓線圈在電壓波動(dòng)時(shí)誤動(dòng)，造成不必要的停電。

分散式后備電源由1組輸入和3組輸出的開關(guān)電源以及高能電容器(或本安鋰電池，根據(jù)后備時(shí)間要求配置)構(gòu)成。后備電源通過(guò)高壓配電裝置內(nèi)部的PT供電，經(jīng)過(guò)開關(guān)電源輸出兩路帶高能電容的直流24 V和一路帶高能電容的直流110 V輸出：兩路直流24 V分別給跳閘線圈和失壓脫扣線圈供電，當(dāng)系統(tǒng)失壓后，儲(chǔ)能電容通過(guò)放電回路，2～3 s就可把儲(chǔ)存的能量放掉，以確保安全；一路直流110 V給保護(hù)器供電，確保停電后保護(hù)器能正常工作20 s(選用儲(chǔ)能電容作后備電源)或10 h(選用鋰電池作后備電源)[2]。

2.2 集中式隔爆型不間斷電源(隔爆型UPS)

集中式隔爆型UPS是指采用大功率礦用隔爆型UPS給變電所高壓配電裝置供電。一個(gè)變電所安裝1臺(tái)大功率隔爆型UPS，其UPS電源輸出的100 V交流或直流電源通過(guò)出線裝置和七芯端子從后腔引到前腔設(shè)備腔；同時(shí)在設(shè)備腔安裝1個(gè)電源的切換裝置，當(dāng)隔爆UPS出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，自動(dòng)切換到PT供電；還需要安裝開蓋斷電裝置，以確保打開高壓配電裝置時(shí)，后備電源能夠斷開供電。

這種供電模式是參考了地面變電所的供電模式的同時(shí)，也適當(dāng)?shù)乜紤]了井下高壓配電裝置的特點(diǎn)，增加了切換裝置和開蓋斷電裝置[3]。

2.3 采用分散式后備電源的優(yōu)勢(shì)

分散式后備電源與集中式隔爆型UPS相比有如下優(yōu)勢(shì)：

1)可靠性高。分散式后備電源采用高能電容器作為儲(chǔ)能元件，一方面避免集中供電造成的隔爆型UPS故障，引起所有高壓配電裝置電源全無(wú)的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面高能電容器壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任何可充電電池。單器件的高能電容器可以和地面直流屏的電池可靠性相比，但對(duì)于隔爆UPS逆變回路復(fù)雜的電子器件電路，顯然前者的可靠性更高。

2)功能更全面。分散式后備電源不僅能作保護(hù)器和跳閘線圈的后備電源，也能作失壓脫扣線圈的電源。對(duì)保護(hù)器提供100 V在線式無(wú)切換時(shí)間的直流電源；對(duì)跳閘線圈，則提供在線式無(wú)切換時(shí)間的24 V直流電源；對(duì)失壓脫扣線圈提供24 V延時(shí)自動(dòng)切斷防電壓晃動(dòng)的直流電源。這一個(gè)電源解決了3個(gè)難題，避免了集中式隔爆UPS只能解決交直流100 V供電的保護(hù)器后備電源問(wèn)題的弊端。

3)使用更安全。分散式后備電源采用高能電容器儲(chǔ)能作后備，既解決了3種部件(保護(hù)器、跳閘線圈、失壓脫扣線圈)的后備電源問(wèn)題；又能在完成使命后，自動(dòng)放電，確保開門時(shí)，電容無(wú)電，保證使用安全，避免隔爆型UPS集中供電時(shí)，高壓配電裝置不能單臺(tái)停電而給開關(guān)檢修維護(hù)帶來(lái)的安全隱患。

4)滿足遠(yuǎn)程停送電要求。分散式后備電源是從高壓配電裝置內(nèi)部的PT上取電的，而變電所送電是逐級(jí)從進(jìn)線到母線再到分路開關(guān)，要求送電時(shí)，開關(guān)的PT一定是已經(jīng)帶電的，只要PT帶電，后備電源就能提供電源，開關(guān)就能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，完全滿足逐級(jí)遠(yuǎn)程送電的要求。

5)滿足開關(guān)同時(shí)跳合閘對(duì)后備電源的需求。正常運(yùn)行時(shí)，高壓配電裝置對(duì)后備電源的能量消耗并不大，每臺(tái)開關(guān)功率不會(huì)超過(guò)10 W，但同時(shí)跳合閘時(shí)需要電源提供較大的瞬間能量。分散式后備電源用高能電容儲(chǔ)能，每臺(tái)開關(guān)有獨(dú)立的后備電源，能瞬間釋放出較大的能量，可滿足多臺(tái)開關(guān)同時(shí)跳合閘的要求。而隔爆型UPS一般按照額定負(fù)載的80%選配,其彈操機(jī)構(gòu)或永磁機(jī)構(gòu)的高壓配電裝置在同時(shí)動(dòng)作時(shí)(比如失壓跳閘后)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)儲(chǔ)能和電容充電瞬時(shí)電流要達(dá)到額定電流的2～5倍，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)隔爆UPS逆變輸出最大電流和過(guò)電流值，造成UPS中斷輸出甚至損壞[4]。

6)易擴(kuò)容易搬遷。井下變電所會(huì)隨著負(fù)荷的變化而擴(kuò)容或高壓配電裝置搬遷，安裝了分散式后備電源的開關(guān)，無(wú)論搬遷到哪里都不會(huì)失去后備電源。

3 通信設(shè)備對(duì)后備電源的要求

井下變電所除了高壓配電裝置外，變電所內(nèi)的電力分站、攝像儀、交換機(jī)以及其他分站類等監(jiān)控通信設(shè)備也需要后備電源，便于在停電后，地面依然能看到變電所的視頻，并與井下保持信息傳輸通道的暢通。

監(jiān)控通信設(shè)備是穩(wěn)定負(fù)載，不會(huì)變化很大，而且需要在變電所停電后，具有較長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力。故監(jiān)控通信設(shè)備的后備電源可選擇采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型的鋰離子蓄電池電源[5]。

3.1 監(jiān)控通信設(shè)備功率估算

變電所一般配置電力分站、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、無(wú)線基站、兩臺(tái)攝像儀以及應(yīng)急照明燈。各類設(shè)備的功耗按下列估計(jì)數(shù)值計(jì)算，變電所監(jiān)控通信設(shè)備的總功耗為：

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)(<40 W)+電力分站(<30 W)+無(wú)線基站(<10 W)+2臺(tái)攝像頭(<15 W)+ 變電所應(yīng)急照明(<40 W)<140 W；

3.2 監(jiān)控通信設(shè)備的容量需求

1) 如果選擇變電所所有監(jiān)控通信設(shè)備配置持續(xù)12 h的后備電源，需要電能為12×140=1 680 Wh。逆變效率按80%，則電池容量為1680÷0.8=2 100 Wh。也就是電池容量在2 000 Wh左右，就可以滿足一般變電所監(jiān)控通信設(shè)備12 h的供電需求。

2) 變電所監(jiān)控通信設(shè)備的后備電源選擇2 000～2 200 Wh電池容量的隔爆兼本質(zhì)安全型鋰離子蓄電池電源(隔爆UPS電源)比較合適。

3) 在個(gè)別變電所有更大的負(fù)載或需要更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間時(shí)，可采用2臺(tái)甚至多臺(tái)后備電源級(jí)聯(lián)使用。

這種中容量隔爆UPS電源最大的特點(diǎn)就是體積小、質(zhì)量輕、易部署、積木式，按需配置容量，投資也省。

4 結(jié)論

根據(jù)研究分析，井下變電所后備電源的最佳配置方案為：分散式后備電源+積木式中容量(2 000 Wh左右)的隔爆UPS電源。

高壓配電裝置中安裝分散式后備電源，變電所監(jiān)控通信設(shè)備可選擇隔爆UPS電源，若監(jiān)控通信設(shè)備要求有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間時(shí)，則可配置多臺(tái)中容量隔爆UPS，通過(guò)級(jí)聯(lián)供電來(lái)實(shí)現(xiàn)。