基于高瓦斯礦井安全供電技術(shù)分析

劉海富

（大同煤礦集團(tuán)公司忻州窯礦 ，山西 大同 037021）

1 煤礦供電系統(tǒng)概述及存在問題

煤礦的供電系統(tǒng)主要由電網(wǎng)變電站或是發(fā)電廠將電能輸送至煤礦，經(jīng)降壓后，向煤礦地面及井下變電所進(jìn)行配電，形成高壓供電系統(tǒng)，再由各變電所降壓后用于用電設(shè)備。

煤礦電力負(fù)荷主要分為三類，如表1所示。

表1 煤礦電力負(fù)荷分類表

高瓦斯礦井中的I類負(fù)荷較多，一旦發(fā)生供電事故后果不堪設(shè)想。因此《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定礦井必須應(yīng)有兩條回路電源線路，如其中一回路發(fā)生非計(jì)劃停電事故時(shí)，另一回路能夠擔(dān)負(fù)礦井所用負(fù)荷供電，且兩回路電源線上不能夠分接任何負(fù)荷。但當(dāng)忻州窯礦井主供電源回路正常運(yùn)行，另一回路帶電熱備用過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生主供電源回路停電時(shí)，不能夠快速有效地向備用帶電回路進(jìn)行切換。所以，如何完成電源快速切換，且確保礦井負(fù)荷連續(xù)供電，不對(duì)供電主設(shè)備造成損壞，是確保高瓦斯礦井供電安全的重中之重。

2 電源快速切換裝置的開發(fā)與應(yīng)用

2.1 在礦井地面供電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

通常情況下，煤礦供電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)考慮到雙路供電的切換問題，主要是依據(jù)傳統(tǒng)的備自投設(shè)計(jì)考慮，但是，礦井備自投切換時(shí)間過長，且無相頻進(jìn)行檢測(cè)，高瓦斯礦井備自投裝置都已退出運(yùn)行。

煤礦電網(wǎng)快速切換系統(tǒng)研究的基本原理依據(jù)主要是：電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷在工作電源切斷后會(huì)在母線處產(chǎn)生一定的反饋電壓，即為殘壓。因此，需要針對(duì)煤礦供電系統(tǒng)中的用電設(shè)備進(jìn)行全面剖析，主要設(shè)備有電動(dòng)機(jī)、變壓器、發(fā)電機(jī)等?；诿旱V中負(fù)荷的類型復(fù)雜、數(shù)量較多，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)地測(cè)量，因此本文采用數(shù)據(jù)建模的方式，應(yīng)用仿真的試驗(yàn)方法和技術(shù)路線，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行切換試驗(yàn)驗(yàn)證。其研究路線和裝置的軟件研發(fā)及生產(chǎn)工藝流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 試驗(yàn)路線圖

圖2 生產(chǎn)工藝流程示意圖

本試驗(yàn)的仿真器采用加拿大產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS（圖3），通過嚴(yán)格的試驗(yàn)論證，對(duì)礦井供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一些情況進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證“電源快速切換裝置”的動(dòng)作行為與保護(hù)間的配合度情況。經(jīng)試驗(yàn)后可得：快速切換裝置能夠很好地實(shí)現(xiàn)供電的不間斷性和可靠性。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真模型

通過在同煤集團(tuán)公司安裝PCS-9655S型電源快速切換裝置后，很好地填補(bǔ)了公司內(nèi)高瓦斯礦井及高電壓等級(jí)上成功應(yīng)用的空白。該電源切換裝置自2012年5月在川底35kV變電站投入運(yùn)行后，在后續(xù)兩年內(nèi)發(fā)生上級(jí)電網(wǎng)波動(dòng)情況時(shí)，成功地完成了主供電源向備用電源回路切換的工作。經(jīng)咨詢忻州窯礦后，礦方回復(fù)礦內(nèi)各負(fù)荷均未受到影響。該裝置在經(jīng)歷實(shí)際事故的驗(yàn)證后，能夠有效確保礦井的安全供電和生產(chǎn)，避免了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 在井下供電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

煤礦主通風(fēng)機(jī)是用于礦井井下通風(fēng)的主要設(shè)備，一旦通風(fēng)機(jī)發(fā)生停電故障，導(dǎo)致主通風(fēng)機(jī)停止工作后，井下瓦斯將會(huì)聚集，當(dāng)達(dá)到超限指標(biāo)后，極有可能誘發(fā)煤礦瓦斯爆炸事故。煤礦主通風(fēng)機(jī)的安裝位置主要在遠(yuǎn)離礦區(qū)的偏遠(yuǎn)區(qū)域，對(duì)于一些機(jī)電設(shè)備來說，供電距離相對(duì)較遠(yuǎn)些，且通常采用架空線路的方式，外部影響因素較多，因此經(jīng)常會(huì)發(fā)生停電事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，大約有90%以上的主通風(fēng)機(jī)停電事故是因外部停電故障誘發(fā)的，因此為了避免高瓦斯礦井主通風(fēng)機(jī)因停止運(yùn)行導(dǎo)致瓦斯聚集超限的狀況發(fā)生，煤礦主通風(fēng)機(jī)必須安裝有效的電源快速切換裝置，以便發(fā)生供電事故后可以快速投入備用電源。如圖4所示為忻州窯礦主通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)及快速切換裝置的安裝示意圖。

圖4 煤礦主通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)和快速切換裝置的安裝示意圖

主通風(fēng)供電系統(tǒng)及快速切換裝置主要采用以下兩種切換方式：進(jìn)線電源開關(guān)互相備用的切換方式和母聯(lián)分段開關(guān)切換方式。進(jìn)線電源開關(guān)互相備用切換的方式：主要是1#開關(guān)正常運(yùn)行，2#開關(guān)熱備，當(dāng)1#開關(guān)電源發(fā)生供電事故后，將會(huì)自動(dòng)切換到2#電源開關(guān)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；此外系統(tǒng)裝置也可以采取母聯(lián)開關(guān)切換方式：該切換方式是1#和2#同時(shí)帶電，母聯(lián)熱備，1#電源帶動(dòng)1#主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，2#電源帶動(dòng)2#主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，供電電源發(fā)生故障時(shí)，由母聯(lián)運(yùn)行來完成切換工作。在實(shí)際生產(chǎn)工作過程中，為了降低通風(fēng)機(jī)的停電率，通常會(huì)采用母聯(lián)分段開關(guān)備用的大分列運(yùn)行方式，這樣可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)一條線路出現(xiàn)故障后，另一主通風(fēng)機(jī)可以快速恢復(fù)正常運(yùn)行。

但在實(shí)際切換中，假若只是簡單地將主供電源回路切換至備用電源回路的話很容易會(huì)放大事故。所以在快速切換備用電源回路前，裝置應(yīng)預(yù)先進(jìn)行基本的邏輯判斷，在排除一切故障后，才能正確投入使用。具體判斷情況：

（1）當(dāng)下級(jí)回路發(fā)生過流故障跳閘時(shí)，跳閘電流過大，故障電流將會(huì)反映到進(jìn)線開關(guān)的電流互感器上，因此通過在快速切換裝置上設(shè)定一個(gè)電流閉鎖門檻值，當(dāng)故障電流進(jìn)入閉鎖門檻值時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)主通風(fēng)機(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，且閉鎖切換裝置，此時(shí)可通過人工倒換風(fēng)機(jī)操作投入備用主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）當(dāng)快速切換裝置通過無流低頻檢測(cè)，即進(jìn)線開關(guān)在額定電流的5%以下，頻率在49Hz以下的情況未發(fā)生較大故障電流時(shí)，會(huì)啟動(dòng)快速切換裝置。此刻如果已經(jīng)確認(rèn)進(jìn)線開關(guān)跳開，且備用電源電壓和頻率都滿足快速切換的條件下，切換裝置會(huì)直接閉合母聯(lián)分段開關(guān)；反之如檢測(cè)進(jìn)線開關(guān)未跳開的話，切換裝置會(huì)先發(fā)出跳進(jìn)線開關(guān)指令，當(dāng)收到進(jìn)線開關(guān)已跳開信號(hào)后，再發(fā)出相應(yīng)命令，投入備用電源。這樣可以有效保證斷開在進(jìn)線開關(guān)上級(jí)的故障點(diǎn)，確保風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)一回路電源發(fā)生故障或其他原因停電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并排除故障，另一回路自動(dòng)投入，主通風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

（3）當(dāng)快速切換裝置檢測(cè)到主供電源回路無電壓和電流，同時(shí)備用電源回路電壓和頻率都達(dá)不到正常設(shè)定值的情況時(shí)，快速切換裝置為了避免切換到備用回路仍無電的情況，將不進(jìn)行備用電源回路的切換。此時(shí)快速切換裝置會(huì)繼續(xù)檢測(cè)一定時(shí)間（通常設(shè)定為5s），在這一時(shí)間間隔內(nèi)，如果備用回路電源恢復(fù)正常情況的話，將自動(dòng)切換，反之將發(fā)出報(bào)警信號(hào)進(jìn)行人工處理。

3 結(jié)論

通過在忻州窯礦進(jìn)行電源快速切換裝置的研究與應(yīng)用，尤其是在礦井主通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用可知，該裝置能夠及時(shí)對(duì)停電故障進(jìn)行判別分析，快速切除故障點(diǎn)并恢復(fù)備用電源回路，進(jìn)而有效確保礦山主通風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使礦山企業(yè)的安全供電和安全生產(chǎn)得到有效保障。