千米深井备用电源安全运行技术的研究

张 震

（山东唐口煤业有限公司机电科，山东 济宁 272055）

1 引言

安全供电是国民经济建设的需要，电网瓦解和大面积停电事故不仅会造成巨大经济损失，影响人民正常生活，还会危及公共安全，造成严重的社会损失[1]。应急电源是保障现代社会人们生产生活安全的重要设施，用于防止因电力突然中断而造成的人身伤害及经济损失。现行的《高层民用建筑设计防火规范》和《民用建筑电气设计规范》严格规定：一级负荷应由两个电源供电，当一个电源故障时，另一个电源不致损坏而正常供电；对于一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还须增设应急电源[2]。医疗、消防、金融和通讯等重要机构，都须有应急电源以备不时之需[3-5]。特别是煤矿生产企业，几乎所有煤矿生产装备都是直接或间接以电力为动力[6]，且目前我国浅层煤矿资源已经不足以满足需求，越来越多的煤矿开始了深部煤炭资源开采，矿井越来越深，“千米深井”逐渐增多[7]。当矿井停电造成提升设备无法运行时，井下作业人员须沿梯子间上井，特别对于深度超过800m的深井，停电时井下作业人员很难爬到地面；对于高瓦斯、“双突”矿井，若停电将造成通风设备和瓦斯抽采设备无法运行，势必导致井下瓦斯聚集，严重时发生瓦斯爆炸；对于涌水量大的矿井，若停电将造成井下排水设备无法运行，可能发生淹井；这些灾难性后果将对井下作业人员的生命安全造成严重威胁，国家财产蒙受巨大损失。

综上所述，对于矿井特别是千米深井的煤矿，亟待为副井提升机、主通风机及其它重要场所配备应急电源。目前国内外对通讯、建筑和消防等部门停电后的应急措施进行了广泛深入研究[8-10]，但对煤矿特别是千米深井煤矿长时间停电的应急方案还缺乏深入的研究。

山东唐口煤业有限公司是一座现代化大型矿井，主、副、风三个立井均超过千米，当出现整个矿井停电事故时，井下工作人员很难从梯子间撤离，将严重威胁矿工的生命安全。为此，建设了一套3000kW柴油发电机组作为矿井的应急备用电源。应急电源系统的启动大大减少了重大事故发生的可能性，避免了井下人员伤亡和国家财产损失，具有极大的经济效益和社会效益。

2 千米深井应急备用电源的要求

当出现整个矿井停电事故时，唐口煤业公司千米深井应急备用电源将起到如下作用：

（1）为副井提升系统提供直供备用电源；

（2）通过矿井地面变电站为主通风机、应急调度等提供备用电源。

由于煤矿副井提升机处于循环变化的运行状态，作为应急负荷必须满足如下要求：

（1）单台电机功率较大，唐口煤业公司副井提升机额定功率为1800kW，额定电枢电压为900V，需配置大容量发电机组。

（2）副井提升机为循环运行，一个运行周期包括起动-加速-匀速-减速-停止五种运行状态，应急供电电源相应存在由空载-增负荷-满载-减负荷-空载的循环运行状态。

（3）副井提升机减速时，通过降低电枢电压来实现减速制动，当降低电枢电压时，会使电枢感应电势超过电枢电压，提升机由电动机转为发电机运行状态，向10kV母线回馈电能。因此，必须增加逆功率吸收装置来消耗副井提升机向电网回馈的电能，避免应急电源发电机组跳闸。

当整个矿井出现长时间停电故障时，应急电源除了保证副井提升机正常运行外，还需要保证矿井调度及生活用电，因此还要考虑200kW的其它应急负荷。

3 应急备用电源类型的选定

通过调研，发现可供选用的应急电源主要有下列三种：（1）柴油发电机组；（2）不间断电源（UPS）；（3）应急电源（EPS）。

不间断电源（UPS）和普通应急电源（EPS）虽然具有安装方便、综合造价低、寿命长、自动化程度高等优点，但普遍功率小、应急供电持续时间较短。因此，并不适合作为大型矿井的应急备用电源。

考虑到唐口煤业公司的应急负荷容量大，且为冲击性负荷。经反复论证，决定采用柴油发电机组作为应急电源。具有以下优点：（1）适应性较强；（2）过载能力强；（3）起动迅速；（4）良好的调压性能；（5）操作维护简单、方便。

此外，当副井提升机电动机由电动机状态转为发电机状态时，副井提升机将向柴油发电机回馈电能，柴油发电机的逆功率保护动作，使应急电源失去作用。为解决副井提升机的电能反馈问题，本项目采用逆功率吸收装置。当逆功率控制器检测到副井提升机向电网回馈电能时，将起动逆功率吸收装置，来消耗提升机电机发出的电能。通过调研，目前市场上已有逆功率吸收装置的成熟产品，并有现场运行经验，装置性能稳定。

4 应急备用电源系统构成及试运行

作为煤矿千米深井应急电源系统核心的发电机组设备主要包括“柴油发电机组”、“辅助柴油发电机组”及“辅助设施”。

（1）柴油发电机组。型号SP4125-50，功率3000kW，编号为“1#机组”。1#机组由一台16V280ZD-A柴油机、一台TFW30003A1无刷同步发电机和一套柴油机辅助单元组成。

（2）辅助柴油发电机组。型号VGS275，功率200kW，编号为“2#机组”。

（3）辅助设施。由一套燃油供给系统、一套冷却循环系统、一套压缩空气启动系统、一套逆功率吸收装置、三台低压柜、八台高压柜（其中六台安装在机房内、一台安装在副井提升机房、一台安装在110kV变电所）、一台交流柴油发电机机旁控制柜和一台中性接地电阻柜组成。

应急备用电源系统的原理如下：

（1）先启动2#柴油发电机组，为1#机组的辅助设备供电；

（2）1#机组的辅助设备全部启动后，再启动1#柴油发电机组输出10kV电压；

（3）最后，根据需要操作机房内10kV开关柜为外部设备供电。

当济宁电网出现故障或矿井110kV变电站发生严重事故时，应急电源系统中的200kW柴油发电机（2#机组）首先启动为3000kW柴油发电机（1#机组）的辅助设备供电；辅助设备全部启动后，启动1#机组且将其产生的电能由电缆接入配电室10kV母线，再经两10kV回路出线分别到达副井提升机房和矿井地面变电站，保证副井提升系统和主通风机供电，使井下人员能够及时安全地撤离。

千米深井应急电源工程土建项目与机电安装项目完成后，进行了带载试车。三次联合副井提升机运行全部是模拟全矿井停电，应急电源系统辅助设备利用200kW发电机组供电，3000kW发电机组直接为副井提升机供电。具体试车主要过程如下：

第一步：应急电源系统检查完毕并完成200kW发电机组的启动，3000kW发电机组的暖机工作，系统具备启动条件。

第二步：副井车房10kV一、二回路进线停电完毕。

第三步：应急电源系统启动，并给副井车房供电。

第四步：副井提升机运行。

第五步：试车结束，应急电源系统停机，副井提升机恢复市电正常运行。

为安全起见，三次试车时副井提升机罐笼内均不载人，而是提升货物（矿车）。三次试车实验结果见表1。

表1 副井提升机荷载试车实验

在三次试车过程中，1#机组的发电机发电频率正常，均为50Hz±0.2Hz。表明应急电源可以为矿井正常供电。在这三次试车过程中，只检测到极其短暂的出现一次51 Hz，对供电没有影响。

在三次试车过程中，发电机输出电压基本一直稳定在10.5kV，不带负载时在10.5kV±100V波动。副井提升机运行时，最高电压达到11.7kV，最低电压为10.3kV，这是由于提升机产生逆功造成的。

检测结果表明，副井提升机最大负载时，发电机输出电流为142A，功率1185kW，功率因数0.45，电压10.7kV。1#机组发电机的额定电流为206A。可满足生产要求。

5 结论

我国煤矿供电基础条件差、可靠性低，应对突然停电事故的能力不容乐观，特别在恶劣的自然条件下，更会造成煤矿灾难性停电事故。因此，备有一套应急电源在许多场合是十分必要的。唐口煤业公司增设了一套3000kW柴油发电机组应急电源系统，实现当济宁电网出现故障或矿井110/10kV主变电所若发生严重事故从而导致矿井电力系统很难在短时间内恢复供电时，为副井提升运输及其它重要场所提供电源，解决重大生产安全隐患。该项目目前已在唐口煤业公司正常运行，对保证唐口煤业公司千米深井的安全生产、保障井下一线作业人员的生命安全，起着至关重要的作用。

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