礦用局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源裝置的研發(fā)與應(yīng)用

王文英

（華北重型裝備制造有限公司，河北邯鄲 056200）

0 引言

煤礦供電系統(tǒng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著極為關(guān)鍵和重要的作用，供電系統(tǒng)的可靠程度會(huì)直接影響到煤礦機(jī)電設(shè)備的正常安全運(yùn)行。一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等一類負(fù)荷無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，可能會(huì)出現(xiàn)瓦斯爆炸或淹井等事故，引發(fā)危及公共安全的重大事故，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。

煤礦井下掘進(jìn)工作面的持續(xù)通風(fēng)問(wèn)題，是事關(guān)瓦斯災(zāi)害防治和井下工作人員生命安全的大事。盡管煤礦供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，大容量一類負(fù)荷的礦井應(yīng)采用雙重電源供電，但是并不能滿足礦井安全生產(chǎn)供電可靠性的嚴(yán)格要求。因此，增設(shè)獨(dú)立的第三電源點(diǎn)——礦用局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源裝置，成為保障掘進(jìn)巷道應(yīng)急通風(fēng)供電，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的可靠選擇。

1 應(yīng)急電源系統(tǒng)

為煤礦井下掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)配備EPS（Emergency Power Supply，應(yīng)急電源）可以防止因斷電造成停風(fēng)問(wèn)題的發(fā)生，進(jìn)而減少瓦斯爆炸事故。在煤礦掘進(jìn)工作而發(fā)生停電停風(fēng)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)急供風(fēng)，保障煤礦安全生產(chǎn)。

通過(guò)了解礦方的要求，結(jié)合井下使用工況，詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)急電源系統(tǒng)工作方案及控制原理，采用逆變技術(shù)和特殊礦用電源裝置，研發(fā)出蓄電池儲(chǔ)能式三相交流應(yīng)急電源裝置。該裝置的投入使用將為局部通風(fēng)機(jī)提供獨(dú)立可靠的第三路應(yīng)急供電電源，有效避免礦井掘進(jìn)工作面因停電停風(fēng)引發(fā)的瓦斯超限事故[1-2]。

2 總體方案設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

應(yīng)急電源裝置主要由儲(chǔ)能蓄電池組、逆變器、充電機(jī)和控制系統(tǒng)等組成[3]。作為煤礦井下通風(fēng)機(jī)的應(yīng)急電源裝置，基于鉛酸蓄電池組儲(chǔ)能，系統(tǒng)采用3 電池串聯(lián)作為電源，通過(guò)逆變器將960 V 直流逆變成660 V 50 Hz 交流電為局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電，能夠滿足60 kW 局部通風(fēng)機(jī)提供負(fù)載狀態(tài)下，連續(xù)供電2 h 以上的持續(xù)動(dòng)力。采用高效的逆變器控制方案，實(shí)現(xiàn)故障應(yīng)急狀態(tài)下負(fù)載供電的連續(xù)無(wú)縫對(duì)接。應(yīng)急電源系統(tǒng)控制流程如圖1 所示，應(yīng)急電源系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖1 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制流程

圖2 應(yīng)急電源系統(tǒng)接線

2.2 工作原理

防爆蓄電池提供直流電壓，通過(guò)逆變器逆變成三相交流660 V 50 Hz 交流電為煤礦井下通風(fēng)機(jī)供電，通過(guò)變壓變頻方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)無(wú)沖擊軟啟動(dòng)。

（1）充電機(jī)向蓄電池組充電，以保證電量蓄能充足。

（2）當(dāng)電網(wǎng)供電正常時(shí)，應(yīng)急電源裝置處于直流熱備機(jī)狀態(tài)，不向第三通風(fēng)機(jī)輸出電源。當(dāng)電網(wǎng)供電出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)急電源系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)主、備通風(fēng)機(jī)供電線路是否異常，如果兩路電源均發(fā)生掉電事故，應(yīng)急電源裝置立即啟動(dòng)，待延時(shí)10～20 s 后，第三通風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行。當(dāng)主、備通風(fēng)機(jī)任一供電線路恢復(fù)供電，應(yīng)急電源裝置自動(dòng)斷電，第三通風(fēng)機(jī)停運(yùn)，應(yīng)急電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)入直流熱備機(jī)狀態(tài)。

（3）配備的3 組特殊型電源裝置，蓄能容量能夠保證2×30 kW第三通風(fēng)機(jī)負(fù)載正常運(yùn)行2 h 以上。

（4）應(yīng)急電源裝置使用的工況：①安裝位置：具有獨(dú)立回風(fēng)系統(tǒng)硐室內(nèi)；②運(yùn)行方式：直流熱備機(jī)，自動(dòng)切入；③適用條件：礦井高瓦斯突出區(qū)域；④環(huán)境溫度：0～40 ℃；⑤相對(duì)濕度：0～95%無(wú)冷凝；⑥環(huán)境氣體：處于進(jìn)風(fēng)流中。

2.3 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及選型

以某煤礦井下掘進(jìn)工作面為例，根據(jù)用戶的需求，設(shè)計(jì)計(jì)算各種應(yīng)急電源裝置設(shè)備性能參數(shù)，其中主要設(shè)備性能參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)備性能參數(shù)

2.3.1 礦用隔爆通風(fēng)機(jī)專用逆變器設(shè)計(jì)[4-6]

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型通風(fēng)機(jī)專用逆變器符合MT 1099—2009《礦用變頻調(diào)速裝置》標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)的專用逆變器有內(nèi)置電池電量顯示、容量檢測(cè)功能。專用逆變器具有欠壓保護(hù)、過(guò)壓、過(guò)流、短路和漏電閉鎖、風(fēng)、電閉鎖及瓦斯、電閉鎖等功能。其具有局部通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口，模擬量輸入接口2 路，開關(guān)量2 路，控制逆變器自動(dòng)切換功能。工業(yè)顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示應(yīng)急電源系統(tǒng)工作狀態(tài)、輸出電壓、電流、頻率、電池電壓、負(fù)載率、故障、電池低壓報(bào)警等信息。并配備專用輸出濾波器，能夠有效抑制諧波污染，提高功率因數(shù)。有效供電距離可達(dá)500 m。

專用逆變器主要技術(shù)參數(shù)：①產(chǎn)品型號(hào)：BPJ-110/660F（1 臺(tái)）；②額定輸入電壓：DC 960 V；③額定輸出功率：110 kW；④額定輸出電壓：AC 660 V±10% 50 Hz。

專用逆變器采用三電平逆變器，內(nèi)置高性能DSP 芯片，配以失量控制算法，輸出電壓波形接近正弦波，逆變器輸出波形如圖3 所示。

三電平逆變器輸出波形已經(jīng)近似正弦波，能夠有效減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，控制性能更加優(yōu)異。

2.3.2 防爆特殊型電源裝置選型

選用符合MT 658—2011《煤礦用特殊型鉛酸蓄電池》標(biāo)準(zhǔn)的鉛酸蓄電池組。鉛酸蓄電池組適用環(huán)境溫度0～40 ℃，使用隔爆型插銷連接器，保證各設(shè)備間線纜可靠連接，固定牢靠。

鉛酸蓄電池組基本參數(shù)選擇：①產(chǎn)品型號(hào)：DXT320/210（3組）；②額定電壓：DC 320 V；③額定容量：210 A·h；④配置數(shù)量：3 組。

2.3.3 礦用隔爆兼本安型充電機(jī)選型

礦用隔爆兼本安型充電機(jī)具備智能自動(dòng)充電功能，數(shù)字顯示屏可將充電參數(shù)和狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，具有極性判斷、保護(hù)功能和過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等保護(hù)功能。礦用隔爆兼本安型充電機(jī)如圖4 所示。

礦用隔爆兼本安型充電機(jī)基本參數(shù)選擇：①產(chǎn)品型號(hào)：ZJC80/504K（A）（1 臺(tái)）；②供電電壓：三相380/660 V 50 Hz；③輸出電壓：20～504 V；④輸出電流：DC 0～80 A。

3 結(jié)語(yǔ)

該礦用局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源裝置普遍適用于各煤炭生產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)已在部分單位煤礦井下正常使用。在煤礦井下掘進(jìn)工作面發(fā)生停電停風(fēng)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)急供風(fēng)，避免煤礦井下掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)雙?，F(xiàn)象的發(fā)生，保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦井下掘進(jìn)面的供風(fēng)可靠性，為煤礦井下掘進(jìn)面工人的安全增加一層保障，加快工作面的推進(jìn)速度，提高工作效率，對(duì)防止瓦斯超限、減少瓦斯事故、改善煤礦生產(chǎn)安全狀況具有重要意義。