趙 軍

（華陽二礦，山西 陽泉 045000）

引言

我國每年都要開采大量的煤炭資源，以順應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展[1]。煤炭開采過程中不可避免地涌出大量的瓦斯以及其他有毒有害物質(zhì)，會對井下工作人員的身心健康和安全構(gòu)成威脅[2-3]。礦井中必須要使用通風(fēng)機(jī)排出井內(nèi)各種有毒有害物質(zhì)，同時向內(nèi)部輸入新鮮空氣，為工作人員創(chuàng)造安全的工作環(huán)境[4]。通風(fēng)機(jī)作為電氣設(shè)備，需要供電后才能運(yùn)行，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題，則通風(fēng)機(jī)無法正常運(yùn)行，從而威脅井下安全[5]?；诖耍斜匾O(shè)計研究礦用通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電系統(tǒng)，確保在礦井供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題時，能夠緊急啟動對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，保障井下安全[6]。

1 礦井局部通風(fēng)機(jī)供電方式

考慮到通風(fēng)機(jī)在煤礦開采過程中的重要性，目前針對礦井局部通風(fēng)機(jī)普遍采用的是“三專兩閉鎖”的供電模式。圖1 所示為礦井工作面局部通風(fēng)機(jī)的供電示意圖?！叭龑！敝傅氖菍χ魍L(fēng)機(jī)設(shè)置專門的變壓器、開關(guān)和供電電纜，以提升供電的可靠性。“兩閉鎖”指的是瓦斯和風(fēng)電閉鎖，在“兩閉鎖”的綜合作用下，一旦檢測到礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)或者通風(fēng)機(jī)停止工作時，會對礦井內(nèi)的采煤設(shè)備進(jìn)行斷電閉鎖保護(hù)。為了提升通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，井內(nèi)除使用主通風(fēng)機(jī)外，還會設(shè)置備用通風(fēng)機(jī)，一旦主通風(fēng)機(jī)停止工作，會啟動備用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，但啟動過程需要一定的時間。此過程中如果礦井中瓦斯涌出速度過快，會導(dǎo)致礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛燃眲∩撸{礦井安全。另一方面，礦井工作環(huán)境非常復(fù)雜，濕度較高，使得備用通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障問題，導(dǎo)致設(shè)備無法正常啟動，存在很大的安全隱患?；谏戏治隹梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)的礦井局部通風(fēng)機(jī)供電方式雖然具有很高的可靠性，但在極端環(huán)境下還是存在一定的安全隱患。所以有必要設(shè)置應(yīng)急供電系統(tǒng)，以便在緊急情況下對礦井局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行正常供電，保障礦井安全。

圖1 礦井工作面局部通風(fēng)機(jī)供電示意圖

2 應(yīng)急供電系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

根據(jù)礦井及其通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，設(shè)計研究了應(yīng)急供電系統(tǒng)，如圖2 所示為應(yīng)急供電系統(tǒng)的整體方案框圖。由圖可知，整個應(yīng)急供電系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成，分別為儲能電池系統(tǒng)和功率傳輸系統(tǒng)。

圖2 應(yīng)急供電系統(tǒng)的整體方案框圖

2.1 儲能電池系統(tǒng)

由圖2 可知，儲能電池系統(tǒng)同樣可以劃分成為兩大部分，分別為電池組和管理系統(tǒng)。電池組選用蓄電池，其存儲的電量要求能夠?qū)χ骶植客L(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)60 min的供電。為了提升電池組容量，采用串并聯(lián)方式連接多個電池組。為了保障電池組能夠進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定供電，還專門設(shè)置了管理系統(tǒng)，作用是對電池組的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，確保電池組能夠正常工作。需要檢測的技術(shù)參數(shù)主要包括電池組的溫度、電壓和電流大小等。如果發(fā)現(xiàn)電池電壓降低時，則可以利用礦井供電網(wǎng)絡(luò)對電池組進(jìn)行充電，確保電池組持續(xù)保持滿能量狀態(tài)。

2.2 功率傳輸系統(tǒng)

功率傳輸系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，分別為變換器、變流器和控制電路。從上頁圖2 中可以看出，功率傳輸系統(tǒng)是主通風(fēng)機(jī)和儲能電池系統(tǒng)之間的聯(lián)系紐帶。當(dāng)?shù)V井供電系統(tǒng)正常工作時，應(yīng)急供電系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。變換器和變流器的作用是對輸入的電壓進(jìn)行整流和降壓處理，從而對儲能電池進(jìn)行充電。在此過程中電池組可以對主通風(fēng)機(jī)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)檢測到煤礦配電網(wǎng)存在問題時，則立即將饋電開關(guān)K1斷開，將開關(guān)S 和K0閉合，將應(yīng)急供電系統(tǒng)投入使用。此時變換器和變流器需要對電池組輸出的電壓進(jìn)行整流和升壓處理，然后對主局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電。

2.3 應(yīng)急供電系統(tǒng)的連接形式

設(shè)計的應(yīng)急供電系統(tǒng)通過并聯(lián)的方式接入到通風(fēng)系統(tǒng)供電線路中，圖3 所示為應(yīng)急供電系統(tǒng)的連接形式示意圖。由圖可知，應(yīng)急供電系統(tǒng)通過開關(guān)S接入到供電系統(tǒng)中，與主通風(fēng)機(jī)供電線路處于并聯(lián)狀態(tài)。當(dāng)專用供電系統(tǒng)正常工作時，開關(guān)K1、K0和S全部處于閉合狀態(tài)，主通風(fēng)機(jī)由專用供電系統(tǒng)供電，同時對應(yīng)急供電系統(tǒng)中的電池組進(jìn)行充電。當(dāng)應(yīng)急供電系統(tǒng)投入使用時，則將饋電開關(guān)K1斷開，開關(guān)S 和K0仍然保持閉合狀態(tài)，通過應(yīng)急供電系統(tǒng)對主局部通風(fēng)機(jī)供電。

圖3 應(yīng)急供電系統(tǒng)的連接形式示意圖

3 應(yīng)急供電系統(tǒng)模式切換方法

礦井主局部通風(fēng)機(jī)停止工作的原因有兩點(diǎn)：其一，專用供電電源或者線路出現(xiàn)故障問題，無法正常供電；其二，通風(fēng)機(jī)或者饋電開關(guān)本身存在故障問題，無法正常工作。如果是后者原因?qū)е轮魍L(fēng)系統(tǒng)無法工作，此時將應(yīng)急供電系統(tǒng)投入使用會適得其反，對通風(fēng)機(jī)造成損害。因此，應(yīng)急供電系統(tǒng)在模式切換前，需要對風(fēng)機(jī)負(fù)載開關(guān)狀態(tài)、專用電源工作狀態(tài)和供電線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷分析。圖4 所示為應(yīng)急供電系統(tǒng)模式切換流程圖。當(dāng)主通風(fēng)機(jī)專用電源和供電線路能夠正常工作時，應(yīng)急供電電源的儲能型變流器并網(wǎng)運(yùn)行，同時儲能電池進(jìn)行充電并無功補(bǔ)償。如果檢測到專用電源和供電線路出現(xiàn)故障問題，則系統(tǒng)會發(fā)出“孤島信號”，認(rèn)定主通風(fēng)機(jī)處于孤立狀態(tài)。進(jìn)一步對主通風(fēng)機(jī)的負(fù)載開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果發(fā)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)負(fù)載開關(guān)處于斷開狀態(tài)，則認(rèn)為主通風(fēng)機(jī)存在故障問題，系統(tǒng)將切換到備用局部通風(fēng)機(jī)，同時將應(yīng)急供電系統(tǒng)切斷，避免對主通風(fēng)機(jī)造成損傷。如果主通風(fēng)機(jī)負(fù)載開關(guān)正常閉合，則認(rèn)為主通風(fēng)機(jī)能夠正常工作，發(fā)出模式切換信號，將應(yīng)急供電系統(tǒng)投入使用，同時將閉鎖專用總饋電開關(guān)進(jìn)行斷開處理，防止應(yīng)急供電系統(tǒng)對整個礦井供電網(wǎng)絡(luò)供電，造成應(yīng)急供電系統(tǒng)電量的損耗。

圖4 應(yīng)急供電系統(tǒng)模式切換流程圖

4 礦用通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用

將設(shè)計的通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦通風(fēng)系統(tǒng)工程實(shí)踐中，并對其各項(xiàng)功能進(jìn)行測驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效果良好，所有功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。測試時當(dāng)人為切斷通風(fēng)機(jī)專用供電線路時，系統(tǒng)可以判斷供電線路故障問題，立即將應(yīng)急供電系統(tǒng)投入使用，保障主通風(fēng)機(jī)的正常工作，連續(xù)供電時間為60 min 左右。應(yīng)急供電系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，一旦礦井內(nèi)部出現(xiàn)緊急情況，則可以為井下工作人員的撤離贏得寶貴的時間，在很大程度上提升了礦井的安全性，安全效益顯著。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)在緊急情況下可以對主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)60 min 供電。將設(shè)計的通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦開采工程實(shí)踐中，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)功能均能正常運(yùn)行，可顯著提升礦井的安全性，取得了良好的安全效益。