主通風機配電系統快切裝置的研制與應用

趙秋培

(中國平煤神馬集團尼龍化工公司，河南 平頂山 467000)

礦井主通風機是煤礦的關鍵設備之一，其用途是向井下作業場所連續輸送新鮮風流，在煤礦生產過程中，對煤巖層中涌出或在煤炭生產過程中的氣體進行沖淡并排出產生的各種有毒、有害、窒息、能燃燒或爆炸性氣體、粉塵和水蒸氣，進而調節井下作業條件，營造良好的生產環境，保證機械設備的正常運行，保障工人身心健康，并實現安全生產的目標[1-3]。《煤礦安全規程》規定：煤礦必須在地面安裝2套同等能力的主要通風機裝置，其中1套作為備用，必須保證主通風機的連續運行，當風扇停機時間超過5 min，需要切斷井下供電，并將井下工作人員疏散到安全處，風扇停機時間超過10 min以上，就視為煤礦特大事故，所有人員必須撤離井下[4-5]。因此，每個煤礦都必須為主通風系統制定應急預案。據不完全統計，煤礦發生大范圍停風的原因有3點：①上級輸電單位或者輸電線路上發生故障；②主要通風機配電室開關柜發生故障；③主要通風機故障。

故障②和③可以通過常規檢修避免，故障①是不可預見的。因此，80%的煤礦大規模停風的原因是由于外部電力故障造成的。一旦某一線路的外部電源出現故障，必須在最短的時間內切換到另一電源。目前，主要通風機開關的電源切換大多是靠人工進行的，一般情況下，技術操作人員培訓后大都可以完成此項工作，但在外部停電的情況下，操作人員由于緊張和壓力過大，在切換時間上必然會滯后，也可能由于操作不當而導致事故的發生。因此，在煤礦通風裝置中，采用雙電源自動快速切換裝置是非常必要的。當設備或供電線路出現故障或異常情況下，備用電源需要準確無誤地投入運行，實現設備無故障運行，提高煤礦通風系統的用電安全系數，避免異步切換對設備的影響，簡化操作流程，減少人為誤操作，提高安全運行和電源切換自動控制水平。

1 設計方案

該系統設計方案采用理論研究、軟件仿真與現場試驗研究相結合的方法，具體如下。

(1)理論研究。①在斷電的情況下，基于異步電動機能量衰減切換模型，研究異步電動機向母線能量傳遞的剩余電壓和衰減機理，分析暫態切換過程。 ②根據電機殘余電壓特性曲線和電機電壓限值，研究快速開關器件的4種分斷切換方式：快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換和長延時切換。 ③根據礦井主通風機的特點和重要性，研究其雙電源快速切換的特殊機理。

(2)軟件仿真。在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型來驗證4種不同切換方式的可行性，以及初步驗證關鍵參數的選擇是否合適并且在此基礎上進行適當調整。

(3)現場試驗研究。①在確定容量和電網電壓水平的基礎上，確定各部件的參數和型號，對各部件進行排序，進行結構設計，通過相應軟件對其發熱、電磁干擾等進行仿真模擬，設計經濟、安全、可靠的結構裝置。 ②繪制硬件控制板硬件示意圖和PCB圖，列出制作控制板所需的部件，制作PCB板和焊接部件，對AD采樣模塊、總線模塊、PWM模塊、繼電器等模塊進行測試；編寫程序，選擇控制算法，設計整個系統的控制方案，編寫程序，部分程序模塊可以提前使用特定的調試環境。 ③裝配裝置，并在多步驟調試中盡可能進行測試、調試，提前擬定調試步驟，在調試中做詳細的記錄，盡可能降低調試成本，完成實驗室調試后，現場進行工業試驗和試運行，并長期觀察運行狀況，如果有問題，進行重復調試。

2 雙電源快速切換原理及類型

對于電機的負載母線來講，當母線失電時，由于母線仍與電機相連，母線失電后，由于電動機感應能的轉移，其端電壓仍然存在，這就是所謂的殘余電壓。殘余電壓的衰減與母線的負載特性有關[6-7]。由于殘余電壓的存在，如果進線開關斷開后母聯快速合閘，很可能會出現大的合閘脈沖電流，脈沖電流的大小與閉合瞬時電壓的大小和相位有關，過大的脈沖電流會導致電機或電源出現故障或合閘失敗。因此，必須對殘余電壓進行分析和研究。

2.1 電動機殘壓分析

電動機切換電路的等值模型如圖1所示。

圖1 電動機切換電路的等值模型Fig.1 Equivalent model of motor switching circuit

由圖1可以看出，當供電線路中電源電壓Us和電動機母線上殘壓Ud二者之間的夾角θ變化時，ΔU值有相應的變化。當θ值最大為180°時，ΔU最大，此時如果合上開關，壓降對電動機的沖擊損害最為嚴重。

基于供電線路母線上電動機的殘余電壓特性曲線和電動機耐受電流的沖擊能力，線路母線殘余電壓向量軌跡在極坐標上有不同的變化，如圖2所示。

圖2 母線殘壓向量軌跡Fig.2 Trace of bus residual pressure vector

當電動機切換到電源時，電動機上的電壓Um為:

為保證電動機安全啟動，Um應小于電動機的允許啟動電壓，一般來說，其允許值為電動機額定電壓UDe的1.1倍。

得:Um=ΔU×K=1.1UDe

在圖2中，假定Xs∶Xm=1∶2時，則K值取0.67，可推出ΔU(%)值為1.64；假設以A點為圓心，半徑為1.64繪出弧線A′—A″，則它的右側為備用電源對應的安全區域，左側對應為不安全區域；當K值取0.95時，對應ΔU(%)值為1.15，對應以A點為中心的弧線就右移到B′—B″，那么它的左側均為不安全區域。由此可推出：當K值越大，安全區對應就越小。

2.2 切換類型分析

(1)快速切換。如圖2所示，假定1號和2號電源線路的斷路器相序一致，此時，電源線路電壓向量的端點為A，當1號供電線路母線斷電后殘余電壓向量的端點將沿此時的曲線由A點向B點方向移動，如果在A—B段內合上備用電源開關，既能保證電動機安全運行，又可使電動機轉速不至于下降太多，從而繼續運行，即實現“快速切換”(簡稱“快切裝置”)，也就是理想狀態開關模式下電源的正常切換。現實中，快切裝置能否實現平穩過渡，是由工作開關與備用開關之間固有的原始相位差、啟動方式、備用開關原有的合閘時間及供電母線上檔時的負載狀況等綜合因素決定的。例如：當相位差的終端不大于60°時，初始相位差為10°(備用電源電壓超前)，平均頻率偏移是在閉合時間1 Hz內固有的，同理，如果初始相位差大于30°，或閉合時間大于140 ms時，則不能保證相位差的瞬時閉合小于60°。

(2)同期捕捉切換。在圖2中，當BC段在經過B點時為不安全區域時，到達C點時必須停留至安全區域。此時，可以根據實時頻率差與相位差的對應變化，當閉合反饋后電源電壓與備用電源電壓的第一相位重合時，即同步捕捉開關切換。在快切裝置中，供電線路電源母線電壓(緊急切換時的殘壓)的取樣采用自動頻率追蹤技術，各線路電壓的頻率、相位和相位差均以快速計算，確保余幅和各相位差計算的準確性和可靠性。在同時分辨過程中，該裝置可以準確計算上級電源與殘壓之間的相位角差速度和加速度，并根據設定的上級電源開關的斷開時間準確計算出備用閉合導線，從而確保在第一階段殘壓與目標電壓向量重疊時的閉合捕捉切換。現實中，同期捕捉切換應用于小范圍內切換，如±5°。斷電后，當捕捉同期切換成功、母線殘壓為額定電壓的65%～75%時，電機轉速不會大幅下降，可以保證再次順利啟動。此外，由于2個電壓處于同一相位，備用電源開啟時的脈沖電流較小，不會對設備和系統造成損害[8-10]。

(3)殘壓切換。當供電線路母線殘余電壓降至線路額定電壓的10%～20%時的切換，稱為“殘壓切換”，該模式介于快速切換與同步捕獲切換的備用切換，對提高電源之間切換的成功率有促進作用。目前廣泛使用的工業專用電壓感應將額定電壓降至電動機額定電壓的60%時，電動機將大量吸收無功功率而有功功率(轉矩)急劇下降，當殘余電壓衰減量低于線路的正常供應電壓時，電動機自啟動環境將嚴重惡化，造成電動機不能自啟動，同時線路中總線殘余電壓下降到自身額定電壓的臨界電壓狀態時，備用電源應在電動機臨界電壓之前投入運行，從而保證電動機運轉的連續性。因此，殘壓切換適合于在大功率機組停機之后作為后備電源切換之前的電源切換[11-13]。

(4)長延時切換。特殊情況下，電源線路母線上的壓降不易衰減而保留在線路上時，如果線路中殘壓定值設置不當，或者不需要進行備用電源及時投入運行，可能會造成合閘推遲或不再進行合閘操作[14-15]。此時，該裝置可調整為長延時切換模式。

3 快速切換實施方案

礦井主通風機雙電源快速切換擬實施方案如圖3所示。 圖3中，在原有高壓系統基礎上增加2臺PT柜，安裝在進線斷路器前端，用于進線電壓有無判斷、相位檢測和頻率檢測。快切裝置和斷路器之間的聯絡信號有:合閘指令、分閘指令和開關狀態。

3.1 快切裝置硬件結構

擬設計的快切裝置采用雙CPU+CPLD結構，該裝置每個主模塊都有自己的功能，相互之間并行工作，各模塊運行效率高，以保證切換跳轉響應時間小于3 ms，備份切換響應時間小于10 ms。

圖3 礦井主通風機雙電源快速切換系統示意Fig.3 Schematic diagram of duall-power fast switching system of mine main ventilator

快切裝置硬件結構示意如圖4所示。

圖4 快切裝置硬件結構示意Fig.4 Hardware structure of fast switching device

3.2 快切裝置功能描述

(1)正常切換。供電線路正常運行環境下進行的正常工作電源之間的切換為正常切換。可以通過控制平臺上的手動起動裝置啟動，完成從工作電源與備用電源之間的切換，或由備用電源開關到工作電源開關之間的雙向切換。其中，手動并聯切換方式邏輯如圖5所示。

圖5 手動并聯切換方式邏輯示意Fig.5 Logic diagram of manual parallel switching mode

(2)故障切換。由于工作電源的原因(故障)從而引發的供電線路中工作電源自動切換到備用電源的現象稱為故障切換。故障切換可分為2種模式。 ①串聯切換。保護出口的啟動裝置反映工作電源失效時，應先關閉工作電源，使工作電源在滿足同期條件時已關閉，然后開啟備用電源。 ②并聯切換。通過反映故障保護啟動裝置工作電源發出工作跳閘指令，因此在此期間滿足條件時，該裝置同時可在設定的時間延遲后再次發出備用電源開關合閘指令，以避免由于別的原因造成的線路斷電，導致備用電源跳閘而引發的故障范圍擴大。

(3)長延時切換。當供電母線上的殘余電壓不易快速衰減、電壓、頻率和相位等參數設定不合理，可能會延遲或停止合閘操作，從而進入該裝置中的長延時切換模式。

(4)異常切換。供電線路中母線無故障低壓引起的電源線路切換稱為異常切換，具體有以下2種模式:①線路母線三相電壓供電時長低于設定值的時間超過設定值的延時時間，快切裝置自動跳離工作電源進入備用電源狀態；②由于電源斷路器故障，快切裝置自啟動備用電源。

4 快切裝置綜合評價

4.1 解決的關鍵問題

(1)快切裝置實時監測、跟蹤斷路器兩側線路的電壓、頻率、相位等參數，提供多種可靠的啟動方式和切換模式，不需人為干預，從而保證備用電源的快速安全投入運行，同時對設備不會造成較大的影響。

(2)可實現主通風機2個電源隨時自由無縫切換，方便維修人員及時檢修，降低勞動強度。

(3)當某一線路出現供電問題時，在無人參與的情況下自動無縫切換到另一條線路，提高了風機的安全性和可靠性。

(4)解決了維修人員操作不當對主通風機電機造成的絕緣損壞，延長了電機的使用壽命。

4.2 創新點

(1)建立了異步電機失電情況下的能量切換模型和雙電源快速切換理論。

(2)采用雙CPU+CPLD結構設計雙電源快切控制器，通過編程軟件對系統進行控制并應用于現場。

(3)系統全響應時間<10 ms，瞬時響應時間<1 ms，故障切換時間<200 ms。

5 結語

經過近半年的現場性能測試，系統運行安全可靠，連續穩定，狀態良好。在此期間，維修人員使用該系統手動斷開電源10余次，每一次都能成功切換，風扇基本上不受干擾，其他低壓系統均正常。按照《煤礦安全規程》相關規定：當主通風機切換時，需要2名操作工配合作業且在5～10 min完成，現在只需一人瞬時操作完成，大大減少了切換電源的時間，有力保證了主通風機的連續運行。此外，該系統還具有以下優點:①提高全礦機電設備自動化水平；②大大簡化了電源切換過程，保證了電源切換的安全性和可靠性；③工人的勞動強度大大降低。