淺談快速切換裝置在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

閆靈俊

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司企管處，山西 介休 032000)

電能是煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿碓?，而安全、高效、可靠的供電系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的保證。如何保證煤礦安全供電是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。煤礦系統(tǒng)的主要機(jī)電設(shè)備中斷供電，不僅會(huì)影響煤礦的安全生產(chǎn)，而且會(huì)嚴(yán)重威脅到礦工人身安全。比如，突然中斷礦井供電會(huì)使礦井主通風(fēng)設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致井下瓦斯氣體大量聚集，進(jìn)而危及礦工生命及礦井的安全。因此，對(duì)礦井供電提出的基本要求第一條即是供電可靠，而供電可靠就是要求供電電源不間斷。本文探討了在實(shí)踐中如何做到不間斷供電。

1 煤礦主通風(fēng)機(jī)現(xiàn)供電狀況

目前，汾西礦業(yè)集團(tuán)公司各礦主通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)一般采用單母分段供電方式，其接線圖可簡(jiǎn)化為如圖1所示。圖1中進(jìn)線1、2可以是線路、變壓器、線路－變壓器組等對(duì)母線進(jìn)行供電的變配電設(shè)備的一種。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，基本有三種工況:1)分列運(yùn)行，進(jìn)線1和進(jìn)線2各帶一段母線，即進(jìn)線開關(guān)1DL、2DL閉合，母聯(lián)開關(guān)3DL斷開。2)進(jìn)線1帶兩段母線，即1DL、3DL閉合，2DL斷開，進(jìn)線2熱備用。3)進(jìn)線2帶兩段母線，即2DL、3DL閉合，1DL斷開，進(jìn)線1熱備用。

兩段母線分別攜帶主、副風(fēng)機(jī)。個(gè)別礦井中，3DL僅為隔離刀閘。

2 煤礦主通風(fēng)機(jī)供電方式的改進(jìn)方案

圖1 單母分段主接線示意圖

1)解決該集團(tuán)公司主通風(fēng)機(jī)供電可靠性的主要辦法是一次系統(tǒng)采用雙路或多路供電，再輔以二次系統(tǒng)采用備自投裝置。但在實(shí)際應(yīng)用中，備自投裝置存在以下問題:

a)切換時(shí)間長(zhǎng)，在恢復(fù)送電前，主扇風(fēng)機(jī)等設(shè)備可能已停轉(zhuǎn)。

b)切換期間，沖擊電流較大，風(fēng)機(jī)負(fù)荷及供電設(shè)備極易受沖擊而損壞或使絕緣老化縮短使用壽命。

c)自投成功率低。

d)如果為母線永久性故障，還會(huì)擴(kuò)大事故范圍。

鑒于以上原因，目前，該集團(tuán)公司各礦井均未投入使用此類裝置，在現(xiàn)階段若發(fā)生礦井無計(jì)劃停電事故，采用的仍是人工恢復(fù)送電。這種事故處理模式需要一定的固有時(shí)間，在這固有的時(shí)間內(nèi)，對(duì)于高瓦斯礦來說，個(gè)別局面就可能出現(xiàn)瓦斯超限。另外，現(xiàn)場(chǎng)人員的專業(yè)素質(zhì)對(duì)事故處理快慢、恢復(fù)送電所用時(shí)間長(zhǎng)短也起著至關(guān)重要的作用。因此，研究高瓦斯礦井供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)如何快速恢復(fù)就顯得非常重要。

為此，該集團(tuán)公司組織相關(guān)人員對(duì)其它同行系統(tǒng)調(diào)研，并與一些有實(shí)力的廠家合作，研發(fā)新一代多功能快切產(chǎn)品(電源快速切換裝置)，應(yīng)用于3個(gè)高瓦斯礦井，以求供電可靠性得到進(jìn)一步提高。

2)具體切換方案。

a)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，采用工況1供電時(shí)，安裝一套電源快速切換裝置，無論何種原因當(dāng)進(jìn)線1(或進(jìn)線2)失電時(shí)，快切裝置動(dòng)作合上母聯(lián)開關(guān)，投入到另一側(cè)進(jìn)線電源，保證風(fēng)機(jī)不停轉(zhuǎn)。

b)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，采用工況2或工況3供電時(shí)，即母聯(lián)開關(guān)在合位或母聯(lián)為刀閘，或無母聯(lián)時(shí)，安裝一套電源快速切換裝置，無論何種原因當(dāng)進(jìn)線1(或進(jìn)線2)失電時(shí)，快切裝置動(dòng)作，投入另一側(cè)進(jìn)線電源，保證風(fēng)機(jī)不停轉(zhuǎn)。

3 快切裝置的原理及部分功能

3.1 快切裝置的原理

如圖1所示，當(dāng)進(jìn)線1或進(jìn)線2發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，跳開1DL或2DL后母線1或母線2失電，電動(dòng)機(jī)將惰行。對(duì)單臺(tái)電機(jī)而言，工作電源切斷后電動(dòng)機(jī)定子電流變?yōu)榱?，轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從額定值逐漸減速，轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)將在定子繞組中反向感應(yīng)電勢(shì)，形成反饋電壓。此時(shí)的母線電壓即為多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的合成反饋電壓，俗稱殘壓。母線殘壓與備用電源角差和幅值示意圖見圖2。

圖2 母線殘壓與備用電源角差和幅值示意圖

由于殘壓的存在，為了防止備用電源合閘時(shí)造成的沖擊，在失電剛發(fā)生時(shí)，通過控制合閘時(shí)的頻差和相角差，快速合上備用電源，這就是所謂的“快速切換”，適合快速切換的時(shí)機(jī)在圖2中以區(qū)域1表示。在區(qū)域2，殘壓與備用電源電壓處于第一次相位重合點(diǎn)附近，如果能在此時(shí)合閘，則對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊也不大，電動(dòng)機(jī)將很快進(jìn)入穩(wěn)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行，這就是所謂的“同期捕捉”。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，由于殘壓頻率變化的非線性，加上測(cè)量的離散性和間斷性，以及開關(guān)跳合閘時(shí)間的測(cè)量誤差，并不能做到精確在同相點(diǎn)合閘。理論分析和長(zhǎng)期的應(yīng)用實(shí)踐表明，只要誤差小于一定范圍，如合閘角控制在±5°，就能使電動(dòng)機(jī)受到的沖擊較小，滿足實(shí)用要求。

區(qū)域3則屬于電壓接近無壓的區(qū)域，此時(shí)合閘(殘壓切換的定值一般為25% ～40%)對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊已不大，傳統(tǒng)的備自投就是工作在這一區(qū)域。當(dāng)然，此時(shí)合閘電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速已很低，對(duì)生產(chǎn)的影響是不可避免的。

根據(jù)以上所述，在區(qū)域1、2合閘，對(duì)電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)影響都不大。在區(qū)域3合閘，雖然對(duì)電動(dòng)機(jī)影響不大，但對(duì)生產(chǎn)就構(gòu)成了一定的影響。因此，要掌握好合閘時(shí)機(jī)，首先從快切裝置的起動(dòng)方式分析。

3.2 合備用開關(guān)的方式

合備用開關(guān)的方式有:快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長(zhǎng)延時(shí)切換。

快切裝置的起動(dòng)方式有手動(dòng)起動(dòng)、保護(hù)起動(dòng)、誤跳起動(dòng)、失壓起動(dòng)、無流起動(dòng)及逆功率起動(dòng)方式。

3.3 快切裝置的切換方式

快切裝置在起動(dòng)后，會(huì)按照一定的順序操作工作電源開關(guān)和備用電源開關(guān)。其切換方式有串聯(lián)、并聯(lián)、同時(shí)三種方式。其中串聯(lián)切換多用于事故情況下的自動(dòng)切換，并聯(lián)切換適用于進(jìn)線檢修時(shí)的人工倒閘或故障后手動(dòng)恢復(fù)，同時(shí)切換可用于事故情況下的自動(dòng)切換。

3.4 備用開關(guān)合閘的實(shí)現(xiàn)方式

裝置在起動(dòng)后，會(huì)按照預(yù)定的切換方式跳開工作開關(guān)和合上備用開關(guān)。無論哪種切換方式都涉及到合備用開關(guān)的操作。

4 現(xiàn)場(chǎng)效果

裝置安裝以后，通過現(xiàn)場(chǎng)帶負(fù)荷試驗(yàn)和3個(gè)月的運(yùn)行實(shí)踐，裝置快速切換功能良好、動(dòng)作正確、運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了高瓦斯礦井安全供電的可靠性。