主通風(fēng)機(jī)配電系統(tǒng)快切裝置的研制與應(yīng)用

趙秋培

(中國平煤神馬集團(tuán)尼龍化工公司，河南 平頂山 467000)

礦井主通風(fēng)機(jī)是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備之一，其用途是向井下作業(yè)場所連續(xù)輸送新鮮風(fēng)流，在煤礦生產(chǎn)過程中，對煤巖層中涌出或在煤炭生產(chǎn)過程中的氣體進(jìn)行沖淡并排出產(chǎn)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(jìn)而調(diào)節(jié)井下作業(yè)條件，營造良好的生產(chǎn)環(huán)境，保證機(jī)械設(shè)備的正常運行，保障工人身心健康，并實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)[1-3]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：煤礦必須在地面安裝2套同等能力的主要通風(fēng)機(jī)裝置，其中1套作為備用，必須保證主通風(fēng)機(jī)的連續(xù)運行，當(dāng)風(fēng)扇停機(jī)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(fēng)扇停機(jī)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(fēng)系統(tǒng)制定應(yīng)急預(yù)案。據(jù)不完全統(tǒng)計，煤礦發(fā)生大范圍停風(fēng)的原因有3點：①上級輸電單位或者輸電線路上發(fā)生故障；②主要通風(fēng)機(jī)配電室開關(guān)柜發(fā)生故障；③主要通風(fēng)機(jī)故障。

故障②和③可以通過常規(guī)檢修避免，故障①是不可預(yù)見的。因此，80%的煤礦大規(guī)模停風(fēng)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(xiàn)故障，必須在最短的時間內(nèi)切換到另一電源。目前，主要通風(fēng)機(jī)開關(guān)的電源切換大多是靠人工進(jìn)行的，一般情況下，技術(shù)操作人員培訓(xùn)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(dāng)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，在煤礦通風(fēng)裝置中，采用雙電源自動快速切換裝置是非常必要的。當(dāng)設(shè)備或供電線路出現(xiàn)故障或異常情況下，備用電源需要準(zhǔn)確無誤地投入運行，實現(xiàn)設(shè)備無故障運行，提高煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的用電安全系數(shù)，避免異步切換對設(shè)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(shè)計方案

該系統(tǒng)設(shè)計方案采用理論研究、軟件仿真與現(xiàn)場試驗研究相結(jié)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(jī)能量衰減切換模型，研究異步電動機(jī)向母線能量傳遞的剩余電壓和衰減機(jī)理，分析暫態(tài)切換過程。 ②根據(jù)電機(jī)殘余電壓特性曲線和電機(jī)電壓限值，研究快速開關(guān)器件的4種分?jǐn)嗲袚Q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(jù)礦井主通風(fēng)機(jī)的特點和重要性，研究其雙電源快速切換的特殊機(jī)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(guān)鍵參數(shù)的選擇是否合適并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(3)現(xiàn)場試驗研究。①在確定容量和電網(wǎng)電壓水平的基礎(chǔ)上，確定各部件的參數(shù)和型號，對各部件進(jìn)行排序，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過相應(yīng)軟件對其發(fā)熱、電磁干擾等進(jìn)行仿真模擬，設(shè)計經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的結(jié)構(gòu)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(jìn)行測試；編寫程序，選擇控制算法，設(shè)計整個系統(tǒng)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(diào)試環(huán)境。 ③裝配裝置，并在多步驟調(diào)試中盡可能進(jìn)行測試、調(diào)試，提前擬定調(diào)試步驟，在調(diào)試中做詳細(xì)的記錄，盡可能降低調(diào)試成本，完成實驗室調(diào)試后，現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)試驗和試運行，并長期觀察運行狀況，如果有問題，進(jìn)行重復(fù)調(diào)試。

2 雙電源快速切換原理及類型

對于電機(jī)的負(fù)載母線來講，當(dāng)母線失電時，由于母線仍與電機(jī)相連，母線失電后，由于電動機(jī)感應(yīng)能的轉(zhuǎn)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(fù)載特性有關(guān)[6-7]。由于殘余電壓的存在，如果進(jìn)線開關(guān)斷開后母聯(lián)快速合閘，很可能會出現(xiàn)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(guān)，過大的脈沖電流會導(dǎo)致電機(jī)或電源出現(xiàn)故障或合閘失敗。因此，必須對殘余電壓進(jìn)行分析和研究。

2.1 電動機(jī)殘壓分析

電動機(jī)切換電路的等值模型如圖1所示。

圖1 電動機(jī)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(dāng)供電線路中電源電壓Us和電動機(jī)母線上殘壓Ud二者之間的夾角θ變化時，ΔU值有相應(yīng)的變化。當(dāng)θ值最大為180°時，ΔU最大，此時如果合上開關(guān)，壓降對電動機(jī)的沖擊損害最為嚴(yán)重。

基于供電線路母線上電動機(jī)的殘余電壓特性曲線和電動機(jī)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(biāo)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(dāng)電動機(jī)切換到電源時，電動機(jī)上的電壓Um為:

為保證電動機(jī)安全啟動，Um應(yīng)小于電動機(jī)的允許啟動電壓，一般來說，其允許值為電動機(jī)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(shè)以A點為圓心，半徑為1.64繪出弧線A′—A″，則它的右側(cè)為備用電源對應(yīng)的安全區(qū)域，左側(cè)對應(yīng)為不安全區(qū)域；當(dāng)K值取0.95時，對應(yīng)ΔU(%)值為1.15，對應(yīng)以A點為中心的弧線就右移到B′—B″，那么它的左側(cè)均為不安全區(qū)域。由此可推出：當(dāng)K值越大，安全區(qū)對應(yīng)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(dāng)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(nèi)合上備用電源開關(guān)，既能保證電動機(jī)安全運行，又可使電動機(jī)轉(zhuǎn)速不至于下降太多，從而繼續(xù)運行，即實現(xiàn)“快速切換”(簡稱“快切裝置”)，也就是理想狀態(tài)開關(guān)模式下電源的正常切換。現(xiàn)實中，快切裝置能否實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，是由工作開關(guān)與備用開關(guān)之間固有的原始相位差、啟動方式、備用開關(guān)原有的合閘時間及供電母線上檔時的負(fù)載狀況等綜合因素決定的。例如：當(dāng)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(nèi)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(dāng)BC段在經(jīng)過B點時為不安全區(qū)域時，到達(dá)C點時必須停留至安全區(qū)域。此時，可以根據(jù)實時頻率差與相位差的對應(yīng)變化，當(dāng)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(guān)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(shù)，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(zhǔn)確性和可靠性。在同時分辨過程中，該裝置可以準(zhǔn)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(jù)設(shè)定的上級電源開關(guān)的斷開時間準(zhǔn)確計算出備用閉合導(dǎo)線，從而確保在第一階段殘壓與目標(biāo)電壓向量重疊時的閉合捕捉切換。現(xiàn)實中，同期捕捉切換應(yīng)用于小范圍內(nèi)切換，如±5°。斷電后，當(dāng)捕捉同期切換成功、母線殘壓為額定電壓的65%～75%時，電機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)備和系統(tǒng)造成損害[8-10]。

(3)殘壓切換。當(dāng)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(jìn)作用。目前廣泛使用的工業(yè)專用電壓感應(yīng)將額定電壓降至電動機(jī)額定電壓的60%時，電動機(jī)將大量吸收無功功率而有功功率(轉(zhuǎn)矩)急劇下降，當(dāng)殘余電壓衰減量低于線路的正常供應(yīng)電壓時，電動機(jī)自啟動環(huán)境將嚴(yán)重惡化，造成電動機(jī)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(tài)時，備用電源應(yīng)在電動機(jī)臨界電壓之前投入運行，從而保證電動機(jī)運轉(zhuǎn)的連續(xù)性。因此，殘壓切換適合于在大功率機(jī)組停機(jī)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(shè)置不當(dāng)，或者不需要進(jìn)行備用電源及時投入運行，可能會造成合閘推遲或不再進(jìn)行合閘操作[14-15]。此時，該裝置可調(diào)整為長延時切換模式。

3 快速切換實施方案

礦井主通風(fēng)機(jī)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(tǒng)基礎(chǔ)上增加2臺PT柜，安裝在進(jìn)線斷路器前端，用于進(jìn)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(lián)絡(luò)信號有:合閘指令、分閘指令和開關(guān)狀態(tài)。

3.1 快切裝置硬件結(jié)構(gòu)

擬設(shè)計的快切裝置采用雙CPU+CPLD結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)響應(yīng)時間小于3 ms，備份切換響應(yīng)時間小于10 ms。

圖3 礦井主通風(fēng)機(jī)雙電源快速切換系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of duall-power fast switching system of mine main ventilator

快切裝置硬件結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 快切裝置硬件結(jié)構(gòu)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(huán)境下進(jìn)行的正常工作電源之間的切換為正常切換?？梢酝ㄟ^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(guān)到工作電源開關(guān)之間的雙向切換。其中，手動并聯(lián)切換方式邏輯如圖5所示。

圖5 手動并聯(lián)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(fā)的供電線路中工作電源自動切換到備用電源的現(xiàn)象稱為故障切換。故障切換可分為2種模式。 ①串聯(lián)切換。保護(hù)出口的啟動裝置反映工作電源失效時，應(yīng)先關(guān)閉工作電源，使工作電源在滿足同期條件時已關(guān)閉，然后開啟備用電源。 ②并聯(lián)切換。通過反映故障保護(hù)啟動裝置工作電源發(fā)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(shè)定的時間延遲后再次發(fā)出備用電源開關(guān)合閘指令，以避免由于別的原因造成的線路斷電，導(dǎo)致備用電源跳閘而引發(fā)的故障范圍擴(kuò)大。

(3)長延時切換。當(dāng)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(shù)設(shè)定不合理，可能會延遲或停止合閘操作，從而進(jìn)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(shè)定值的時間超過設(shè)定值的延時時間，快切裝置自動跳離工作電源進(jìn)入備用電源狀態(tài)；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(guān)鍵問題

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

(2)可實現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)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(qiáng)度。

(3)當(dāng)某一線路出現(xiàn)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(fēng)機(jī)的安全性和可靠性。

(4)解決了維修人員操作不當(dāng)對主通風(fēng)機(jī)電機(jī)造成的絕緣損壞，延長了電機(jī)的使用壽命。

4.2 創(chuàng)新點

(1)建立了異步電機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計雙電源快切控制器，通過編程軟件對系統(tǒng)進(jìn)行控制并應(yīng)用于現(xiàn)場。

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

5 結(jié)語

經(jīng)過近半年的現(xiàn)場性能測試，系統(tǒng)運行安全可靠，連續(xù)穩(wěn)定，狀態(tài)良好。在此期間，維修人員使用該系統(tǒng)手動斷開電源10余次，每一次都能成功切換，風(fēng)扇基本上不受干擾，其他低壓系統(tǒng)均正常。按照《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定：當(dāng)主通風(fēng)機(jī)切換時，需要2名操作工配合作業(yè)且在5～10 min完成，現(xiàn)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(fēng)機(jī)的連續(xù)運行。此外，該系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點:①提高全礦機(jī)電設(shè)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(qiáng)度大大降低。