礦井通風機應急供電儲能裝置的研究

趙 莉

（晉能控股煤業集團忻州窯礦，山西 大同 037003）

引言

礦井在生產的過程中需要通風機為礦井內提供新鮮的空氣，將礦井內的瓦斯排出礦井，通風機的正常運行保障著礦井的安全生產與井下工作人員的生命安全。傳統的礦井通風機采用雙電源供電[1]，當煤礦發生非計劃的停電時主通風機和備用通風機都無法工作，不能保證礦井的安全生產。因此構建礦井通風機應急供電儲能裝置是極其必要的[2-3]，能夠確保礦井內通風機在發生電力故障時仍能夠運行，保障礦井的安全生產與人員的安全。

當礦井因為電源故障發生通風機停止運行的情況時，礦井通風機應急供電儲能裝置能夠在極短時間內啟動為通風機提供電源，防止安全事故的發生。因為礦井內環境復雜狹小，礦井通風機的功率因素較低，這些因素都對礦井通風機應急供電儲能裝置的設計提出較高的要求，本文研究的礦井通風機應急供電儲能裝置采用鉛炭電池作為儲能裝置為主通風機或備用通風機供電，并且采用PWM設備充放電，不僅使設備更加安全可靠，并且適用性更強。

1 礦井通風機應急供電儲能裝置構建

現階段煤礦使用的備用供電方式是在主通風機專用電源發生故障時切換到備用通風機進行通風，該方式能在一定程度上提升礦井的安全生產能力，將沒有通風機運行的時間降至很低。但是在主通風機停止運行期間，備用通風機因為其他原因無法運行時，為了避免瓦斯聚集等原因產生的危險需要停止井下作業。

本文設計的礦井通風機應急供電儲能裝置在主通風機專用電源斷電時，應急供電儲能裝置迅速接入為主通風機進行供電，這樣不僅使通風機能夠不間斷工作，并且能夠提升礦井內生產的安全性，同時避免因為備用通風機無法使用造成的安全事故，使煤礦的生產更加安全、高效。

礦井通風機應急供電儲能裝置的設計功能是當檢測到主通風機電源故障時，儲能裝置進入應急模式為主通風機提供半小時以上的供電，以保障主通風機的正常運行，使工作人員有足夠的時間處理主通風機電源故障。同時當主通風機自身故障等原因導致的主通風機無法使用，為了避免礦井通風機應急供電儲能裝置礦井通風機系統造成二次傷害，需要在啟動應急模式前對礦井通風機系統的狀態進行檢測判斷，如果主通風機或者主通風機線路發生故障，則需要啟動備用通風機。使用礦井通風機應急供電儲能裝置的礦井通風機系統運行狀態有如下三種情況：

1）主通風機專用電源正常工作，主通風機正常運行工作，礦井通風機應急供電儲能裝置處于充電狀態；

2）主通風機專用電源正常工作，主通風機發生故障，通過信號反饋礦井通風機應急供電儲能裝置不進入應急模式，備用通風機啟動；

3）主通風機專用電源故障，饋電開關正常，通風機應急供電儲能裝置啟動應急模式為主通風機或備用通風機供電。

通風機應急供電儲能裝置在啟動應急模式需要斷開專用總饋電開關，防止通風機應急供電儲能裝置對專用電源倒送電。煤礦中礦井內低壓配電網接入通風機應急供電儲能裝置示意圖如下頁圖1所示。

圖1 通風機應急供電儲能裝置示意圖

礦井通風機應急供電儲能裝置備用充電模式和應急電源模式應急供電儲能裝置工作模式的切換過程如下頁圖2所示。

圖2 礦井通風機應急供電儲能裝置模式切換流程

2 通風機應急供電儲能裝置的整體結構

通風機應急供電儲能裝置的工作模式處于備用充電模式時需要監控通風機應急供電儲能裝置的狀態，必要時將電網的交流電轉換為直流電對電池組進行充電；當裝置處于應急供電模式下，需要將電池組的直流電轉換為標準的三相正弦電驅動通風機運轉。

傳統通風機應急供電儲能裝置的充電電路與逆變電路是獨立的，使用兩套設備冗余度高但是效率低結構復雜。PWM變流器具有整流和逆變的功能，所以可以采用PWM變流器作為應急供電儲能裝置的充放電裝置，并且在PWM變流器與儲能器件之間增加雙向DC/DC變換器，通風機應急供電儲能裝置的整體結構如圖3所示。

圖3 通風機應急供電儲能裝置的整體結構

該結構不僅簡化了通風機應急供電儲能裝置的結構，裝置的穩定性與可靠性也得以提高。

3 通風機應急供電儲能器件的選擇

常見的儲能器件有鉛酸電池和鋰電池，兩種電池的優缺點如表1所示。

表1 鉛酸電池和鋰電池優缺點

鉛炭電池是一種新型電池[3]，通過在傳統鉛酸電池負極中添加一定量的碳材料，加速活性物質轉化，活性炭表面成為新的活性區域，減弱了極板的極化現象，有效地保護負極，延長了電池的循環使用壽命，具備鉛酸電池的優點，并且改善了鉛酸電池在高充放電倍率下的性能。所以通風機應急供電儲能裝置使用鉛碳電池作為儲能器件。

通風機應急供電儲能裝置作為主通風機的備用電源要滿足主通風機啟動時的瞬時功率，并且能夠為主通風機提供30 min以上的電能。為了提升通風機應急供電儲能裝置的經濟性，電池需長期使用，為了保證電池的使用壽命，需要對電池進行合理的充放電來延長電池的壽命，所以電池的性能要滿足如下公式：

式中：Wbat為通風機應急供電儲能裝置電池組容量；Pbat為通風機應急供電儲能裝置輸出功率；Sn為礦井通風機額定功率；Sst為礦井通風機啟動瞬時功率；W為通風機運行30 min所需要的電能。

4 結論

通風機應急供電儲能裝置保障著礦井內的安全生產，防止因為通風機停止工作產生危險，本文設計的通風機應急供電儲能裝置作為主通風機的應急電源，有以下幾方面作用：

1）防止礦井因為供電故障導致井下通風不暢引起的危險，在停電時通風機也能夠正常工作半小時，在檢修電力設備的同時不影響正常生產；

2）采用PWM變流器與雙向DC/DC組成的功率變換系統簡化了通風機應急供電儲能裝置的整流和逆變裝置，使通風機應急供電儲能裝置更加安全穩定；

3）使用鉛炭電池作為通風機應急供電儲能器件，降低了煤礦的成本，并且安全穩定。