礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源應(yīng)用研究

王　剛

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西　呂梁　033601）

引言

當(dāng)前，隨著煤炭工業(yè)發(fā)展和煤礦裝備的進(jìn)步，煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)設(shè)施對(duì)防爆電源的容量要求越來(lái)越高，加之目前井下變電所高壓開(kāi)關(guān)保護(hù)電源采用柜體自身PT交流電源控制，存在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí)，容易造成操作電壓降低，斷路器不能分閘；高壓板控制電源檢修時(shí)，容易發(fā)生低壓反饋高壓電源造成事故；存在三相不平衡問(wèn)題，容易產(chǎn)生雜波及電磁干擾，相對(duì)穩(wěn)定性及可靠性差；停電時(shí)，高壓板各項(xiàng)保護(hù)及斷路器不能正常工作，保護(hù)器不能記錄分析數(shù)據(jù)和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)等現(xiàn)象。根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下發(fā)《淘汰落后安全技術(shù)裝備目錄》（2016年第一批）要求，采用交流電源控制的保護(hù)電源建議逐步淘汰，采用直流電源控制的保護(hù)電源代替。為此，礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池直流電源應(yīng)運(yùn)而生，并在煤礦井下推廣使用。

1　結(jié)構(gòu)特征

電源外形尺寸：1 230 mm（長(zhǎng)）、920 mm（寬）、1 065mm（高）。

喇叭口數(shù)量：共23個(gè)喇叭口，其中交流電源輸入（Φ34mm）1個(gè)、直流電源輸出（Φ34mm）1個(gè)，小負(fù)載電源輸出（25mm）16個(gè)、485接口（25mm）2個(gè)，備用25mm喇叭口3個(gè)。

顯示設(shè)備：一個(gè)LCD液晶顯示器。

開(kāi)關(guān)及按鈕：1個(gè)快開(kāi)門斷電聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，21個(gè)按鈕。其中一個(gè)交流進(jìn)線電源控制按鈕、一個(gè)直流大電流（25 A）輸出控制按鈕、一個(gè)蓄電池開(kāi)關(guān)控制按鈕、16個(gè)直流小電流（3 A）輸出控制按鈕，備用按鈕 2 個(gè)[1]。

指示燈：對(duì)應(yīng)21個(gè)按鈕工作狀態(tài)的紅色指示燈21個(gè)。按鈕按下接通電路時(shí)燈亮。反之，燈熄滅。

電源防爆箱分為電池腔、設(shè)備腔和接線腔等3個(gè)腔體。

1）蓄電池腔：蓄電池腔在箱體的右側(cè)。腔內(nèi)安放有34節(jié)3.2 V/60 Ah磷酸鐵鋰蓄電池，串聯(lián)接線方式。蓄電池腔安裝有方便開(kāi)啟的慢開(kāi)門，門上配置有警示銘牌，提醒用戶操作符合規(guī)范。蓄電池腔內(nèi)除了蓄電池和必要的監(jiān)測(cè)采樣電纜，沒(méi)有其他器件。

蓄電池腔蓄電池組分5層布置，從上往下除第二層為6節(jié)蓄電池，其余四層均為7節(jié)蓄電池。

2）設(shè)備腔：設(shè)備腔在箱體的中間。安裝有LCD顯示單元、BMS蓄電池管理系統(tǒng)、充電單元、電源變換模塊、電源輸入輸出單元、本安通信單元等主要設(shè)備和器件[2]。

3）接線腔：接線腔在箱體的左側(cè)上部。接線腔有專門的接線腔蓋，位于箱體頂部左側(cè)。接線腔外部設(shè)置有23個(gè)大小喇叭口。2個(gè)大喇叭口位于接線腔后部，21個(gè)小的喇叭口位于箱體最左側(cè)上部。

接線腔內(nèi)部布置有5個(gè)M6接線柱，用于交流電源接入和直流大電流的輸出。此外還有12個(gè)九芯接線柱用于小電流的輸出和外部通信電纜的連接。鋰離子蓄電池電源的外形如下頁(yè)圖1所示。

2　工作原理

本電源由34只60 Ah磷酸鐵鋰鋰離子電池、BMS電池管理系統(tǒng)（含報(bào)警及顯示功能）、電源輸入輸出單元、充電單元、電源變換模塊、本安通信模塊等組成。

如下頁(yè)圖2所示，34節(jié)60 Ah磷酸鐵鋰蓄電池串聯(lián)組成110 V/60 Ah電池組，在電池管理系統(tǒng)控制下實(shí)施充電控制、放電控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警及數(shù)據(jù)上傳。

將井下～1 140 V、～660 V三相交流電源通過(guò)接線腔接入本設(shè)備內(nèi)部，經(jīng)過(guò)變壓器變換為充電單元所需的～380 V供電電源。充電單元為恒流、恒壓方式充電。按照鋰離子電池特點(diǎn)并在設(shè)定的電流條件下為電池充電，在充電狀態(tài)下當(dāng)充電電流大于最大允許充電流時(shí)，自動(dòng)切斷充電回路，并將狀態(tài)傳送至報(bào)警及顯示系統(tǒng)[3]。

34只溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)每只電池的溫度，并將數(shù)據(jù)傳送至電池管理系統(tǒng)并實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)電池溫度高于電池的最高允許使用溫度時(shí)電池管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電池的充、放電回路，系統(tǒng)報(bào)警并上傳報(bào)警數(shù)據(jù)。

電池BMS管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各單體電池的電壓及充電、放電電流，確保每只電池均在允許的工作電壓和電流范圍內(nèi)工作，并顯示電池組的剩余容量。在充電狀態(tài)下，當(dāng)充電過(guò)流達(dá)到充電過(guò)流保護(hù)值時(shí)，BMS管理系統(tǒng)切斷充電回路，并顯示報(bào)警信息及上傳數(shù)據(jù)。

在放電狀態(tài)下，當(dāng)放電電流大于最大允許值時(shí)或某只電池電壓達(dá)到最低允許使用電壓時(shí)，切斷放電回路，并顯示報(bào)警信息及上傳數(shù)據(jù)。

電池BMS管理系統(tǒng)接收主機(jī)指令并向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)供主機(jī)判斷控制，同時(shí)將電源數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示。

當(dāng)電源充電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，顯示器優(yōu)先切換至故障顯示界面。

鋰離子蓄電池電源工作原理框圖如圖2所示[4]。

3　主要特點(diǎn)和功能

3.1　系統(tǒng)輸入電源范圍廣

可選擇交流1 140 V或660 V電源，電源波動(dòng)范圍±15%。

3.2　系統(tǒng)可以輸出多種電源

1）煤礦井下變電硐室高開(kāi)柜的控制和操作電源：直流 DC110 V（±1%）；交流 AC110 V（穩(wěn)壓精度±2%）。

2）煤礦井下變電硐室電力監(jiān)控中心后備電源交流AC127V（穩(wěn)壓精度±2%）。

3）煤礦井下瓦斯、人員定位等監(jiān)測(cè)監(jiān)控后備電源交流AC127 V（穩(wěn)壓精度±2%）。

3.3　具有本安通信功能

可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向調(diào)度中心傳輸。

3.4　成倍延長(zhǎng)后備時(shí)間

一套系統(tǒng)可以配置兩套蓄電池電源裝置，成倍延長(zhǎng)后備時(shí)間，且兩套蓄電池電源裝置無(wú)需并聯(lián)使用，一主一備，冗余備用。

3.5　系統(tǒng)具有多種保護(hù)功能

包括蓄電池過(guò)充保護(hù)、蓄電池過(guò)放保護(hù)、短路保護(hù)、充電過(guò)流保護(hù)、放點(diǎn)過(guò)流保護(hù)、蓄電池溫度保護(hù)、直接接地保護(hù)等[5]。

4　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

4.1　電源系統(tǒng)集多種單元、模塊于一體

礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源是集鋰離子蓄電池、電池管理BMS系統(tǒng)、充電單元、電源變換模塊、電源輸入單元、輸出單元和本安通信模塊為一體的電源設(shè)備。

4.2　電源容量大

單體電池容量為60 Ah，電池組單體電池個(gè)數(shù)為34個(gè)，電池組的額定能量為6 600Wh，通過(guò)井下實(shí)際使用，可同時(shí)負(fù)載13臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)和操作電源、2臺(tái)電力分站、4臺(tái)監(jiān)測(cè)分站工作8 h以上。

4.3　智能化程度高

礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源工作為智能化，具備對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)管理、檢測(cè)及參數(shù)顯示等功能，具有多臺(tái)使用過(guò)程中相互通信、及數(shù)據(jù)傳送的功能。具備對(duì)電源中蓄電池故障、充電系統(tǒng)故障等所有故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警的功能，具備全中文液晶顯示功能。

4.4　系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、環(huán)保，使用壽命長(zhǎng)

電源箱采用鋰離子蓄電池，能量比高，具有高存儲(chǔ)能量密度，是鉛酸電池的6～7倍；使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)6年以上；自放電率低，不到鎳氫電池的1/20；重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5～1/6；綠色環(huán)保，無(wú)論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢都不含有和產(chǎn)生有毒有害金屬元素和物質(zhì)。

5　結(jié)語(yǔ)

礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源是煤礦井下變電硐室保護(hù)和控制設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備的配套產(chǎn)品，為井下變電硐室供電系統(tǒng)提供可靠的保護(hù)和控制電源，并為井下監(jiān)控設(shè)施提供可靠的后備電源。該電源在煤礦井下的應(yīng)用，解決了井下高開(kāi)柜控制和保護(hù)電源不獨(dú)立、保護(hù)裝置保護(hù)特性下降、電力監(jiān)控和監(jiān)測(cè)監(jiān)控后備電源、供電可靠性差，故障率高等問(wèn)題，大大提高了煤礦井下供電的安全和可靠性，有效降低了發(fā)生大面積停電事故的次數(shù)，為實(shí)現(xiàn)井下自動(dòng)化水平的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

[1]趙鍵.基于智能控制技術(shù)的鉛酸蓄電池充電設(shè)備的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[2]肖林京，張瑞雪，常龍，等.礦用電機(jī)車磷酸鐵鋰蓄電池在線狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2013，34（4）：206-208.

[3]邢海龍，鄒甲，黃飛.磷酸鐵鋰電池用于煤礦蓄電池機(jī)車的可行性分析[J].煤礦機(jī)械，2013，34（5）：254-257.

[4]張樂(lè)，劉寶昌，鄭義.通信系統(tǒng)磷酸鐵鋰電池規(guī)模應(yīng)用可行性分析[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014（3）：55-59.

[5]王平.磷酸鐵鋰電池在通信領(lǐng)域的應(yīng)用淺析[J].通信電源技術(shù)，2012（s1）：18-20.