直流電源在煤礦井下供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

江俊峰

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司二礦，山西 陽泉 045000）

煤礦井下供電系統(tǒng)普遍存在供電線路短、多級(jí)變電所級(jí)聯(lián)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致過流保護(hù)整定困難，沒有時(shí)間級(jí)差裕度。陽煤集團(tuán)二礦（以下簡(jiǎn)稱二礦）井下高壓供電系統(tǒng)，在發(fā)生短路故障時(shí)，不能完全避免高壓供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘事故。越級(jí)跳閘導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大，且供電系統(tǒng)龐大，恢復(fù)送電時(shí)間較長(zhǎng)。以上各種不利因素直接威脅著二礦的供電安全和礦井安全，制約著礦井生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)展。

為了解決上述問題，二礦井下部分變電所高爆開關(guān)的控制和保護(hù)電源改造為直流控制電源。高壓供電系統(tǒng)可靠性得到提高，越級(jí)跳閘次數(shù)減少。

1 煤礦井下高爆開關(guān)控制電源常用方案及缺點(diǎn)

（1）目前煤礦井下高爆開關(guān)的控制和保護(hù)電源，與高壓供電系統(tǒng)同源。即高爆開關(guān)的控制和保護(hù)電源由開關(guān)內(nèi)高壓互感器二次線圈輸出的100V交流電源提供?？刂坪捅Ｗo(hù)電源不獨(dú)立，供電可靠性差，故障率相對(duì)較高。

（2）當(dāng)變電所某一饋出線路出現(xiàn)短路時(shí)，系統(tǒng)電壓可能瞬時(shí)下降至額定電壓的60%以下，導(dǎo)致高爆開關(guān)中高壓電壓互感器的二次輸出電壓也隨之急劇下降，控制和保護(hù)回路失電，保護(hù)裝置出口繼電器不能快速可靠的動(dòng)作，斷路器不能可靠分閘。

（3）由于井下高爆開關(guān)采用的是與供電系統(tǒng)同源的保護(hù)和控制電源，隨著系統(tǒng)電壓的波動(dòng)、多次諧波干擾等不良因素也通過高壓互感器直接傳遞至保護(hù)裝置電源端，造成保護(hù)裝置工作電源的質(zhì)量和穩(wěn)定性差，長(zhǎng)期如此，可導(dǎo)致保護(hù)裝置保護(hù)特性下降。

（4）當(dāng)線路遭受雷擊時(shí)，雷電過電壓可以通過高壓電壓互感器瞬時(shí)傳遞到高爆開關(guān)內(nèi)的控制和保護(hù)回路，燒毀元件，導(dǎo)致保護(hù)和控制裝置功能失效。

2 煤礦井下使用直流一體化電源方案

2.1 直流一體化電源工作原理、功能及組成結(jié)構(gòu)

（1）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、逆變器為一體的電源設(shè)備。設(shè)備工作為智能化，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)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)警功能，具備全中文液晶顯示功能。

（2）直流一體化電源提供的直流控制和保護(hù)電源和高爆開關(guān)自身高壓互感器提供的AC100V電源經(jīng)整流的直流電源在高爆開關(guān)內(nèi)可通過高壓開關(guān)內(nèi)安裝的調(diào)壓整流切換模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。其原理是：當(dāng)高爆開關(guān)外部的隔爆型鋰離子蓄電池電源需要停電檢修時(shí)，可以自動(dòng)切換到由高爆開關(guān)內(nèi)部高壓互感器輸出交流電源供電。該電源經(jīng)過調(diào)壓、整流、濾波后輸出的是DC110±5V的直流電源。即使在隔爆型鋰離子蓄電池電源出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，也不用開啟高爆開關(guān)防爆門，造成高壓線路停電。當(dāng)檢修完成，隔爆型鋰離子蓄電池電源恢復(fù)供電后，保護(hù)裝置電源自動(dòng)切換到隔爆型鋰離子蓄電池電源供電。通過井下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，高爆開關(guān)內(nèi)安裝的調(diào)壓整流切換模塊的兩路電源切換時(shí)間在10～15ms之間，不會(huì)造成保護(hù)裝置掉電重啟。

（3）礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源輸出AC127V電源工作原理。DXJL6600隔爆型鋰離子蓄電池電源，交流AC127V后備電源的輸出采用電力專用逆變器來實(shí)現(xiàn)。電源中逆變器通過RS485或CAN的通信方式與BMS鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)通訊，可以實(shí)時(shí)將逆變器的工作狀態(tài)和故障信息傳輸給BMS鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)，并通過BMS鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)上傳給地面調(diào)度中心。逆變器的數(shù)量和工作模式可以設(shè)定。逆變器設(shè)置為：數(shù)量2臺(tái)，連接方式：串聯(lián)，一主一備工作模式。第一臺(tái)逆變器“逆變”優(yōu)先，第二臺(tái)逆變器“旁路”優(yōu)先。考慮到不同的輸送距離和線路壓降，其輸出電壓可以在AC127～135V之間設(shè)定。

2.2 直流一體化電源實(shí)施方案

（1）將高爆開關(guān)中電壓互感器輸出的AC100V交流電源經(jīng)過調(diào)壓整流切換模塊處理后得到的較穩(wěn)定的直流電源來作為高爆開關(guān)中保護(hù)裝置的備用電源。采用兩路直流電源作為控制和保護(hù)電源。它的優(yōu)點(diǎn)是可靠，故障率低，兩路直流電源切換中沒有相位要求，即使并聯(lián)在一起也不會(huì)造成短路故障。

（2）DXJL6600隔爆型鋰離子蓄電池電源由變電所本室變壓器提供交流電源AC660V。輸出的直流電源供變電所線路上的高爆開關(guān)使用，輸出的交流電源供安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控、應(yīng)急照明、網(wǎng)絡(luò)視頻等設(shè)備使用。

（3）隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源可以提供不大于19路的交直流電源的輸出回路。其中直流輸出15路，交流輸出4路。如果直流輸出回路數(shù)量不能滿足變電硐室高爆開關(guān)的需要，可以采用隔爆型電纜分支盒（三通或四通）進(jìn)行擴(kuò)展。直流DC110V和交流AC127V輸出，每路輸出均采用快速熔斷器作為過流保護(hù)元件。通常，輸出的各路電源，采用放射性供電方式直接接入每臺(tái)用電設(shè)備，對(duì)于本方案，考慮到節(jié)約投資，我們將備用高爆開關(guān)同相鄰高爆開關(guān)共用1路輸出。

2.3 直流電源后備時(shí)間計(jì)算

（1）假設(shè)全變電所有14臺(tái)高爆開關(guān)，單臺(tái)高爆開關(guān)保護(hù)裝置常態(tài)功耗≤20W，總功耗280W。

（2）交流AC127V總負(fù)載按900W考慮。

（3）鋰離子蓄電池電源自身消耗及線路損耗，按150W計(jì)算（包括線損、逆變器損耗，逆變器效率大于90%），上述3項(xiàng)相加，在井下變電所交流電源停電時(shí)，蓄電池需要輸出的總能耗：280+900+150=1330（W）。

（4） 因 此，DXJL6600隔 爆 兼 本 安 型鋰離子蓄電池電源可以達(dá)到的后備時(shí)間為：6600W·h÷1330W=4.96h。即使五年后鋰離子蓄電池容量下降到80%時(shí)，還能達(dá)到約3.96h的后備時(shí)間。

2.4 高爆開關(guān)失壓延時(shí)整定

高爆開關(guān)控制和保護(hù)電源采用直流一體化電源獨(dú)立供電，當(dāng)系統(tǒng)電壓下降時(shí)，通過調(diào)整變電所總開關(guān)和分開關(guān)的失壓延時(shí)，形成級(jí)差，可使分開關(guān)先跳閘，從而避免越級(jí)跳閘。

2.5 在井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)使用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

（1）照明、監(jiān)控、通信等沒有或只有分散的小容量后備電源，且后備電源不能集中管理。由于老的后備電源自身沒有蓄電池管理系統(tǒng)，使用一段時(shí)間后，運(yùn)行維護(hù)人員無法判斷后備電源的工作狀態(tài)，當(dāng)真正需要后備電源的時(shí)候，才會(huì)發(fā)現(xiàn)后備電源無法使用或達(dá)不到使用要求，無法滿足新國(guó)標(biāo)AQ6201《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》的要求。

（2）照明電源不具備后備電源功能，在井下停電時(shí)無法提供應(yīng)急照明。

（3）網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的電源不具備后備電源功能，在井下停電時(shí)無法提供實(shí)時(shí)視頻影像傳輸。

（4）DXJL6600隔爆型鋰離子蓄電池電源輸出的交流電源可以替代原有ZBZ-4.0M和BXZ-4.0M輸出的AC127V。主要的區(qū)別在于：該電源具有較長(zhǎng)后備時(shí)間，將其輸出的AC127V輸入到各分站電源時(shí)，無論原有分站電源的后備時(shí)間多長(zhǎng)，都可以做為各分站電源的補(bǔ)充，逆變器由于經(jīng)過逆變處理后輸出的AC127V電源，電壓穩(wěn)定，干擾小，相比較于ZBZ-4.0M和BXZ-4.0M，一體化電源具有占地面積小，接線方便、易于管理的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

直流電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直流電源運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向地面調(diào)度中心傳輸，同時(shí)提供多個(gè)電壓等級(jí)的交流或直流后備電源。礦用隔爆型一體化電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下控制和保護(hù)電源和后備電源向隔爆型、大容量、高安全性、高可靠性的飛躍，為井下供電、監(jiān)測(cè)監(jiān)控的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展提供了電源保障，是未來井下電源技術(shù)發(fā)展的方向。