礦用局部通風機應急電源裝置的研發與應用

王文英

（華北重型裝備制造有限公司，河北邯鄲 056200）

0 引言

煤礦供電系統對煤礦安全生產有著極為關鍵和重要的作用，供電系統的可靠程度會直接影響到煤礦機電設備的正常安全運行。一旦供電系統出現問題，通風系統、排水系統等一類負荷無法運轉，可能會出現瓦斯爆炸或淹井等事故，引發危及公共安全的重大事故，造成嚴重的社會影響。

煤礦井下掘進工作面的持續通風問題，是事關瓦斯災害防治和井下工作人員生命安全的大事。盡管煤礦供電系統設計規范要求，大容量一類負荷的礦井應采用雙重電源供電，但是并不能滿足礦井安全生產供電可靠性的嚴格要求。因此，增設獨立的第三電源點——礦用局部通風機應急電源裝置，成為保障掘進巷道應急通風供電，實現安全生產的可靠選擇。

1 應急電源系統

為煤礦井下掘進工作面局部通風機配備EPS（Emergency Power Supply，應急電源）可以防止因斷電造成停風問題的發生，進而減少瓦斯爆炸事故。在煤礦掘進工作而發生停電停風故障時，實現自動應急供風，保障煤礦安全生產。

通過了解礦方的要求，結合井下使用工況，詳細設計應急電源系統工作方案及控制原理，采用逆變技術和特殊礦用電源裝置，研發出蓄電池儲能式三相交流應急電源裝置。該裝置的投入使用將為局部通風機提供獨立可靠的第三路應急供電電源，有效避免礦井掘進工作面因停電停風引發的瓦斯超限事故[1-2]。

2 總體方案設計及工作原理

2.1 總體方案設計

應急電源裝置主要由儲能蓄電池組、逆變器、充電機和控制系統等組成[3]。作為煤礦井下通風機的應急電源裝置，基于鉛酸蓄電池組儲能，系統采用3 電池串聯作為電源，通過逆變器將960 V 直流逆變成660 V 50 Hz 交流電為局部通風機應急供電，能夠滿足60 kW 局部通風機提供負載狀態下，連續供電2 h 以上的持續動力。采用高效的逆變器控制方案，實現故障應急狀態下負載供電的連續無縫對接。應急電源系統控制流程如圖1 所示，應急電源系統接線如圖2所示。

圖1 應急電源系統控制流程

圖2 應急電源系統接線

2.2 工作原理

防爆蓄電池提供直流電壓，通過逆變器逆變成三相交流660 V 50 Hz 交流電為煤礦井下通風機供電，通過變壓變頻方式實現風機無沖擊軟啟動。

（1）充電機向蓄電池組充電，以保證電量蓄能充足。

（2）當電網供電正常時，應急電源裝置處于直流熱備機狀態，不向第三通風機輸出電源。當電網供電出現異常時，應急電源系統自動檢測主、備通風機供電線路是否異常，如果兩路電源均發生掉電事故，應急電源裝置立即啟動，待延時10～20 s 后，第三通風機投入運行。當主、備通風機任一供電線路恢復供電，應急電源裝置自動斷電，第三通風機停運，應急電源系統轉入直流熱備機狀態。

（3）配備的3 組特殊型電源裝置，蓄能容量能夠保證2×30 kW第三通風機負載正常運行2 h 以上。

（4）應急電源裝置使用的工況：①安裝位置：具有獨立回風系統硐室內；②運行方式：直流熱備機，自動切入；③適用條件：礦井高瓦斯突出區域；④環境溫度：0～40 ℃；⑤相對濕度：0～95%無冷凝；⑥環境氣體：處于進風流中。

2.3 主要設備設計及選型

以某煤礦井下掘進工作面為例，根據用戶的需求，設計計算各種應急電源裝置設備性能參數，其中主要設備性能參數見表1。

表1 主要設備性能參數

2.3.1 礦用隔爆通風機專用逆變器設計[4-6]

礦用隔爆兼本質安全型通風機專用逆變器符合MT 1099—2009《礦用變頻調速裝置》標準。設計的專用逆變器有內置電池電量顯示、容量檢測功能。專用逆變器具有欠壓保護、過壓、過流、短路和漏電閉鎖、風、電閉鎖及瓦斯、電閉鎖等功能。其具有局部通風機工作狀態監測接口，模擬量輸入接口2 路，開關量2 路，控制逆變器自動切換功能。工業顯示屏可以實時顯示應急電源系統工作狀態、輸出電壓、電流、頻率、電池電壓、負載率、故障、電池低壓報警等信息。并配備專用輸出濾波器，能夠有效抑制諧波污染，提高功率因數。有效供電距離可達500 m。

專用逆變器主要技術參數：①產品型號：BPJ-110/660F（1 臺）；②額定輸入電壓：DC 960 V；③額定輸出功率：110 kW；④額定輸出電壓：AC 660 V±10% 50 Hz。

專用逆變器采用三電平逆變器，內置高性能DSP 芯片，配以失量控制算法，輸出電壓波形接近正弦波，逆變器輸出波形如圖3 所示。

三電平逆變器輸出波形已經近似正弦波，能夠有效減少對電網的諧波污染，延長電機的使用壽命，控制性能更加優異。

2.3.2 防爆特殊型電源裝置選型

選用符合MT 658—2011《煤礦用特殊型鉛酸蓄電池》標準的鉛酸蓄電池組。鉛酸蓄電池組適用環境溫度0～40 ℃，使用隔爆型插銷連接器，保證各設備間線纜可靠連接，固定牢靠。

鉛酸蓄電池組基本參數選擇：①產品型號：DXT320/210（3組）；②額定電壓：DC 320 V；③額定容量：210 A·h；④配置數量：3 組。

2.3.3 礦用隔爆兼本安型充電機選型

礦用隔爆兼本安型充電機具備智能自動充電功能，數字顯示屏可將充電參數和狀態實時顯示，具有極性判斷、保護功能和過壓、欠壓、過流、過載等保護功能。礦用隔爆兼本安型充電機如圖4 所示。

礦用隔爆兼本安型充電機基本參數選擇：①產品型號：ZJC80/504K（A）（1 臺）；②供電電壓：三相380/660 V 50 Hz；③輸出電壓：20～504 V；④輸出電流：DC 0～80 A。

3 結語

該礦用局部通風機應急電源裝置普遍適用于各煤炭生產企業，現已在部分單位煤礦井下正常使用。在煤礦井下掘進工作面發生停電停風故障時，實現自動應急供風，避免煤礦井下掘進工作面局部通風機雙停現象的發生，保障煤礦安全生產，提高煤礦井下掘進面的供風可靠性，為煤礦井下掘進面工人的安全增加一層保障，加快工作面的推進速度，提高工作效率，對防止瓦斯超限、減少瓦斯事故、改善煤礦生產安全狀況具有重要意義。