西銘礦風(fēng)機房供電系統(tǒng)快速切換技術(shù)研究

楊曉春

(西山煤電集團 技術(shù)中心, 山西 太原 030053)

煤礦礦井供電安全監(jiān)控管理系統(tǒng)建設(shè)是煤炭企業(yè)保證礦井安全高效、順利生產(chǎn)的重要技術(shù)前提，而供電系統(tǒng)突然斷電會使礦井內(nèi)風(fēng)機臨時停轉(zhuǎn)，導(dǎo)致瓦斯超限，不僅會對煤礦安全生產(chǎn)造成影響，甚至可能導(dǎo)致礦井發(fā)生重大安全事故，威脅礦井內(nèi)工作人員的人身安全。因此，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時檢測和識別問題，并迅速確定發(fā)生故障位置、進行自主隔離，同時快速切換恢復(fù)供電尤為重要。

在電源快速切換領(lǐng)域，東南大學(xué)起步較早，提出了“同期捕捉”理論。目前，南京東大金智等廠家已開發(fā)出了發(fā)電廠用電快速切換裝置，并在電廠、石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]. 由于煤炭行業(yè)變電站對安全供電可靠性要求高的特殊性，對于煤礦變電站電源快速切換裝置的研究較少[2]. 因此，當(dāng)?shù)V井供電系統(tǒng)無法正常工作時，研究如何快速應(yīng)對、處理故障及恢復(fù)供電具有十分重要的價值與意義。

1 概 況

目前，西山煤電集團西銘礦所轄4個風(fēng)機房，其供電系統(tǒng)相關(guān)進線裝置的供電方式采用的都是雙回路輸電線路。根據(jù)不同運行方式，分別為一用一備運行方式、大分裂運行方式。其接線圖可簡化為圖1.

圖1 供電系統(tǒng)典型接線簡化圖

當(dāng)運行的主扇供電線路發(fā)生故障停電后，采用人工方式斷開故障進線開關(guān)和運行風(fēng)機開關(guān)，合上母聯(lián)開關(guān)后檢查6 kV系統(tǒng)正常后合上運行風(fēng)機開關(guān)，由另一回路的電源帶運行風(fēng)機運行，此時風(fēng)機已經(jīng)停轉(zhuǎn)，對于煤礦來說具有很高的風(fēng)險。

通常,該類電源裝置均由外接工作備用電源通過其中的輔助電源接點直接進行投入,也就是有部分此類裝置需要通過外接備用工作電源,經(jīng)由低壓、延時繼電器開啟而間接投入。在電網(wǎng)切換中存在以下問題：切換期間所耗費的時間過長，達到重新送電標(biāo)準(zhǔn)之前，井下風(fēng)機等設(shè)備可能已停止運轉(zhuǎn)；相頻的相關(guān)檢測缺失，風(fēng)機負(fù)荷以及備用供電裝置極易受到過大的電流沖擊導(dǎo)致?lián)p壞；自投成功率低；加入發(fā)生母線永久性故障的現(xiàn)象，還會增加事故的范圍。

2 快速切換技術(shù)原理

2.1 快速切換原理

以極坐標(biāo)圖的形式描繪出的某300 MW機組6 kV供電母線在高殘壓下的相量變化曲線軌跡模式見圖2. 圖2中所示VD為母線電源殘壓，VS為兩個備用線路電源母線電壓，ΔU為兩個備用電源線路電源母線電壓與備用母線電源殘壓間的相位差壓。

圖2 母線殘壓相量軌跡圖

如圖2所示，電路正常工作時，工作回路電源開關(guān)給母線供電,如果在連接工作回路電源側(cè)母線出現(xiàn)短路故障,必須首先直接跳開1DL，即關(guān)上工作回路電源開關(guān),然后直接合上2DL.

此時由于異步傳動器的母線不斷發(fā)生失電,電動機將逐漸出現(xiàn)惰行的電機運動暫?，F(xiàn)象。一般情況下，負(fù)荷使用的都是異步電動變速器的電動機，因此，對于單獨使用一臺電動機來說,切斷一個電動工作臺的驅(qū)動電源后,其異步變速電動機的定子電流消失，轉(zhuǎn)子電流逐漸減小。在各種不同機械驅(qū)動力和各種慣性的共同推動作用下，轉(zhuǎn)子機的轉(zhuǎn)速將從原來的額定值逐漸減小甚至消失。其中的定子電流和定子磁場將逐漸減小形成一個驅(qū)動反饋機的反應(yīng)速度電壓,也稱為反應(yīng)殘壓，殘壓的幅度隨反應(yīng)頻率和回饋反應(yīng)速度幅值將逐漸減小，逐步衰減。通常，電動機最大總負(fù)荷的電容量越大，殘壓反應(yīng)頻率和回饋反應(yīng)幅度的值在逐漸衰減的過程中反應(yīng)速度越慢。

為了分析方便，選取一個單臺電源驅(qū)動系統(tǒng)與單臺備用電動機作為具體分析實例，將一個備用單臺電源驅(qū)動系統(tǒng)和單臺電動機間的等值處理電路按照其暫態(tài)功能分析處理模型進行充分處理簡化，忽略電源繞組驅(qū)動電阻、勵磁電壓阻抗等，以一個等值電勢系數(shù)VS和一個等值勵磁電抗XS分別代表一個備用單臺電源驅(qū)動系統(tǒng)，以一個等值電勢系數(shù)VM和一個等值勵磁電抗系數(shù)XM分別表示單臺電動機，見圖3.

圖3 單臺電動機切換分析模型圖

由于單臺直流電機在自動斷電后定子穩(wěn)壓電路會開路,因此其電勢VM可以等于機端直流電壓,在備用直流電壓電源合并接上前，VM=VD.而當(dāng)備用穩(wěn)壓電源完全合上后,電動機放在繞組上所承受的機端電壓UM就變?yōu)椋?/p>

UM=XM/(XS+XM)×(VS-VM)

因：VM=VD，則(VS-VM)=(VS-VD)=ΔU

所以，UM=XM/(XS+XM)×ΔU

(1)

令：K=XM/(XS+XM)，則：

UM=KΔU

(2)

為保證電動機安全，UM應(yīng)小于電動機的允許起動電壓，設(shè)為1.1 倍額定電壓UDe，則有

KΔU<1.1UDe

(3)

ΔU(%)<1.1/K

(4)

設(shè)此時圖2中弧線:XM=1∶2，K=0.67，則ΔU(%)<1.64. 若在此時圖2中,以兩個弧線上的A為一個實例圓心，以1.64為其具體應(yīng)用中的半徑，以此用來描繪出一個連在弧線上的節(jié)點A′-A″，則A′-A″為圖中帶有兩個備用安全合閘電源以及其他允許自動合閘的安全自動供電電源區(qū)域，左側(cè)則均為不安全自動合閘供電區(qū)域。此時若按照需求，在圖中取途中弧線K=0.95，則ΔU(%)<1.15，圖2中兩個弧線上的B′=B″的左側(cè)均為不安全自動合閘供電區(qū)域，理論上此時如果取圖中K=0～1，可見其在圖中弧線K值越大，安全區(qū)越小。

假定一個能源電路系統(tǒng)在正常工作過程中，其工作電源負(fù)載電壓與備用電源負(fù)載電源的電壓及電流處于同相位，其一條母線上的電壓驅(qū)動電流所在相量幅度曲線上的端點固定為母段上的A，則當(dāng)某一條母線上的電壓或電流失去電源供應(yīng)時，其母線殘壓驅(qū)動電流所在的相量幅度曲線上的端點沿另一條母線上的殘壓電流相量幅度曲線上的端點A由下向上旋轉(zhuǎn)至母線B段的方向進行前后左右往復(fù)移動。如能在一條母線上的A—B段同時再接合上一個工作備用能源工作負(fù)載電源,則既能有效地保證一個備用能源電動機的運行安全,又不會在使用的同時使得電動機轉(zhuǎn)速有明顯過多的下降,這樣也就是通常所謂的“快速切換”[3].

2.2 切換動作

快切捕捉裝置按照主要動作的時間先后切換次序,可以大致分為4種主要動作切換情況:1) 快速捕捉切換。2) 同期延時捕捉快速切換。3) 殘壓捕捉切換。4) 長時間延時捕捉切換。

圖2中，在B點施行原切換方式，即采用快速捕捉切換方式，對處于驅(qū)動中的電機是安全的;但當(dāng)時間延長到C點以后時，再進行判別，實現(xiàn)切換則為同期延時捕捉快速切換，此時對處于驅(qū)動中的電機是安全的；等驅(qū)動電機中的殘壓衰減系數(shù)及其衰減的峰值達到20%～40%時，對其進行切換則為殘壓捕捉切換，這種快速判別切換捕捉方式同時可以被用來作為快速捕捉切換及同期殘壓快速捕捉快速判別這兩種快速切換方式的備用之選。

在工程實際應(yīng)用中,快速啟動切換開關(guān)能否成功實現(xiàn)的關(guān)鍵因素是工作開關(guān)電源與其他備用開關(guān)電源的固有初始電壓相位差、備用電源開關(guān)固有的合適跳閘停止時間以及快速啟動切換開關(guān)裝置的快速啟動操作方式等。對于如600 MW的大容量機組，其開關(guān)安置于發(fā)電機出口位置。倘若同時發(fā)生備用工作回路電源穩(wěn)壓故障,需要通過此切換開關(guān)自動切換至全部備用工作電源，實現(xiàn)安全自動停機。但當(dāng)由于備用工作電源的負(fù)載容量范圍過小,無法實現(xiàn)同時承擔(dān)全部穩(wěn)壓負(fù)載或殘壓全部負(fù)載,導(dǎo)致無法及時實現(xiàn)自起動,只能通過長延時電源切換開關(guān)達到停機目的。

2.2.1 快速切換時電流電壓波形

快速切換時電流電壓波形變化見圖4. 母線電壓變化幅度很小，其電動機轉(zhuǎn)速變化很慢，備用電源可以順利進行自啟動，且電流很小。

圖4 快速切換時的電流電壓波形圖

2.2.2 同期捕捉切換時的電流電壓波形

同期捕捉切換時的電流電壓波形變化見圖5.

圖5 同期捕捉切換時的電流電壓波形圖

目前有多種技術(shù)手段可以直接實現(xiàn)母線在過零點附近不需要超過5 V(±5 V)電壓即可進行母線合閘，以圖2應(yīng)用實驗室的參數(shù)電路為應(yīng)用實例,同期進行捕捉信號切換時,母線合閘電壓一般是額定合閘電壓的65%～70%,此時電動機的轉(zhuǎn)速減小幅度在可控范圍內(nèi)，一般情況下可以自啟動。與此同時,當(dāng)再組合一個備用交流電源時,同相的交流電壓減小了電流沖擊時的電流,避免了對供電系統(tǒng)及其它相關(guān)供電設(shè)備性能造成較大損害。

2.2.3 殘壓切換時的電流電壓波形

殘壓的切換過程一般情況下指當(dāng)母線的整流電壓變化減小到母線額定電壓的20%～40%后，其做出的切換。雖然采用該殘壓切換方式可以有效確保一臺電動機的安全,但當(dāng)電機停電持續(xù)時間過長時,電動機主體能否及時完成自起動以時間長短均會受到一定限制。圖6展示了電機殘壓切換時的交流電壓值和電流頻率波動幅度曲線,殘壓切換需要約1 s的殘壓時間就可以使得殘壓衰退達到40%,需要1.4 s的殘壓時間就可以使得殘壓衰減到20%. 其他發(fā)電機組的殘壓實驗分析結(jié)果顯示其只需要2 s的殘壓時間可以衰減到20%[4].

圖6 殘壓切換時的電流電壓波形圖

3 應(yīng)用效果

西銘礦風(fēng)機房供電系統(tǒng)采用的是MFC5103A快切裝置，該裝置的安全性、靈活性、快速性、準(zhǔn)確性、可靠性等都優(yōu)于其他裝置，提高了該礦的自動化水平，彌補了相關(guān)技術(shù)方面的缺陷。為充分驗證研究成果的可靠性，進行了多次試驗。首先，用繼電保護測試儀在快切裝置電壓、電流采樣端子上分別施加電壓、電流，發(fā)現(xiàn)快切裝置精度符合標(biāo)準(zhǔn)。通過試驗臺加入模擬量，配合現(xiàn)場開關(guān)完成驗證實驗，發(fā)現(xiàn)快速切換裝置切換正常，得出的試驗波錄圖見圖7.

圖7 試驗波錄圖

4 結(jié) 論

依據(jù)本文所提供的設(shè)備工作原理、結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)進行設(shè)計的快切裝置，具有良好的安全性、靈活性及可靠性。在電源線路發(fā)生故障情況下，能夠及時檢測和識別故障，并迅速確定故障位置、進行自主隔離，同時達到快速切換的目的，真正實現(xiàn)“風(fēng)機不停、瓦斯不超限”。在故障清除并恢復(fù)送電后，保證了電網(wǎng)可以連續(xù)供電，避免二次故障發(fā)生，增大故障發(fā)生范圍，從而引起二次停電的現(xiàn)象，提高了電網(wǎng)的安全性與可靠性，避免對電網(wǎng)的沖擊。