劉海富

（大同煤礦集團公司忻州窯礦 ，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)生非計劃停電事故時，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行，另一回路帶電熱備用過程中，經(jīng)常會發(fā)生主供電源回路停電時，不能夠快速有效地向備用帶電回路進行切換。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)計時都會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)計考慮，但是，礦井備自投切換時間過長，且無相頻進行檢測，高瓦斯礦井備自投裝置都已退出運行。

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：電動機、發(fā)電機等產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動負(fù)荷在工作電源切斷后會在母線處產(chǎn)生一定的反饋電壓，即為殘壓。因此，需要針對煤礦供電系統(tǒng)中的用電設(shè)備進行全面剖析，主要設(shè)備有電動機、變壓器、發(fā)電機等?；诿旱V中負(fù)荷的類型復(fù)雜、數(shù)量較多，難以進行數(shù)據(jù)的實地測量，因此本文采用數(shù)據(jù)建模的方式，應(yīng)用仿真的試驗方法和技術(shù)路線，并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況進行切換試驗驗證。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 試驗路線圖

圖2 生產(chǎn)工藝流程示意圖

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

圖3 實時數(shù)字仿真模型

通過在同煤集團公司安裝PCS-9655S型電源快速切換裝置后，很好地填補了公司內(nèi)高瓦斯礦井及高電壓等級上成功應(yīng)用的空白。該電源切換裝置自2012年5月在川底35kV變電站投入運行后，在后續(xù)兩年內(nèi)發(fā)生上級電網(wǎng)波動情況時，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)歷實際事故的驗證后，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)機是用于礦井井下通風(fēng)的主要設(shè)備，一旦通風(fēng)機發(fā)生停電故障，導(dǎo)致主通風(fēng)機停止工作后，井下瓦斯將會聚集，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)機的安裝位置主要在遠(yuǎn)離礦區(qū)的偏遠(yuǎn)區(qū)域，對于一些機電設(shè)備來說，供電距離相對較遠(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)常會發(fā)生停電事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，大約有90%以上的主通風(fēng)機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)機因停止運行導(dǎo)致瓦斯聚集超限的狀況發(fā)生，煤礦主通風(fēng)機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，將會自動切換到2#電源開關(guān)繼續(xù)運轉(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#同時帶電，母聯(lián)熱備，1#電源帶動1#主通風(fēng)機運行，2#電源帶動2#主通風(fēng)機運行，供電電源發(fā)生故障時，由母聯(lián)運行來完成切換工作。在實際生產(chǎn)工作過程中，為了降低通風(fēng)機的停電率，通常會采用母聯(lián)分段開關(guān)備用的大分列運行方式，這樣可以實現(xiàn)當(dāng)一條線路出現(xiàn)故障后，另一主通風(fēng)機可以快速恢復(fù)正常運行。

但在實際切換中，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)下級回路發(fā)生過流故障跳閘時，跳閘電流過大，故障電流將會反映到進線開關(guān)的電流互感器上，因此通過在快速切換裝置上設(shè)定一個電流閉鎖門檻值，當(dāng)故障電流進入閉鎖門檻值時，會驅(qū)動主通風(fēng)機故障報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，且閉鎖切換裝置，此時可通過人工倒換風(fēng)機操作投入備用主通風(fēng)機進行運轉(zhuǎn)。

（2）當(dāng)快速切換裝置通過無流低頻檢測，即進線開關(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，會啟動快速切換裝置。此刻如果已經(jīng)確認(rèn)進線開關(guān)跳開，且備用電源電壓和頻率都滿足快速切換的條件下，切換裝置會直接閉合母聯(lián)分段開關(guān)；反之如檢測進線開關(guān)未跳開的話，切換裝置會先發(fā)出跳進線開關(guān)指令，當(dāng)收到進線開關(guān)已跳開信號后，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線開關(guān)上級的故障點，確保風(fēng)機的持續(xù)運轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)當(dāng)一回路電源發(fā)生故障或其他原因停電時，系統(tǒng)自動檢測并排除故障，另一回路自動投入，主通風(fēng)機持續(xù)運轉(zhuǎn)的目的。

（3）當(dāng)快速切換裝置檢測到主供電源回路無電壓和電流，同時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，快速切換裝置為了避免切換到備用回路仍無電的情況，將不進行備用電源回路的切換。此時快速切換裝置會繼續(xù)檢測一定時間（通常設(shè)定為5s），在這一時間間隔內(nèi)，如果備用回路電源恢復(fù)正常情況的話，將自動切換，反之將發(fā)出報警信號進行人工處理。

3 結(jié)論

通過在忻州窯礦進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)機中應(yīng)用可知，該裝置能夠及時對停電故障進行判別分析，快速切除故障點并恢復(fù)備用電源回路，進而有效確保礦山主通風(fēng)機的持續(xù)運轉(zhuǎn)，使礦山企業(yè)的安全供電和安全生產(chǎn)得到有效保障。