矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源应用研究

王　刚

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西　吕梁　033601）

引言

当前，随着煤炭工业发展和煤矿装备的进步，煤矿井下电力监控系统、监测通信系统、紧急避险设施对防爆电源的容量要求越来越高，加之目前井下变电所高压开关保护电源采用柜体自身PT交流电源控制，存在系统出现短路时，容易造成操作电压降低，断路器不能分闸；高压板控制电源检修时，容易发生低压反馈高压电源造成事故；存在三相不平衡问题，容易产生杂波及电磁干扰，相对稳定性及可靠性差；停电时，高压板各项保护及断路器不能正常工作，保护器不能记录分析数据和系统进行保护等现象。根据国家安全生产监督管理总局下发《淘汰落后安全技术装备目录》（2016年第一批）要求，采用交流电源控制的保护电源建议逐步淘汰，采用直流电源控制的保护电源代替。为此，矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池直流电源应运而生，并在煤矿井下推广使用。

1　结构特征

电源外形尺寸：1 230 mm（长）、920 mm（宽）、1 065mm（高）。

喇叭口数量：共23个喇叭口，其中交流电源输入（Φ34mm）1个、直流电源输出（Φ34mm）1个，小负载电源输出（25mm）16个、485接口（25mm）2个，备用25mm喇叭口3个。

显示设备：一个LCD液晶显示器。

开关及按钮：1个快开门断电联锁开关，21个按钮。其中一个交流进线电源控制按钮、一个直流大电流（25 A）输出控制按钮、一个蓄电池开关控制按钮、16个直流小电流（3 A）输出控制按钮，备用按钮 2 个[1]。

指示灯：对应21个按钮工作状态的红色指示灯21个。按钮按下接通电路时灯亮。反之，灯熄灭。

电源防爆箱分为电池腔、设备腔和接线腔等3个腔体。

1）蓄电池腔：蓄电池腔在箱体的右侧。腔内安放有34节3.2 V/60 Ah磷酸铁锂蓄电池，串联接线方式。蓄电池腔安装有方便开启的慢开门，门上配置有警示铭牌，提醒用户操作符合规范。蓄电池腔内除了蓄电池和必要的监测采样电缆，没有其他器件。

蓄电池腔蓄电池组分5层布置，从上往下除第二层为6节蓄电池，其余四层均为7节蓄电池。

2）设备腔：设备腔在箱体的中间。安装有LCD显示单元、BMS蓄电池管理系统、充电单元、电源变换模块、电源输入输出单元、本安通信单元等主要设备和器件[2]。

3）接线腔：接线腔在箱体的左侧上部。接线腔有专门的接线腔盖，位于箱体顶部左侧。接线腔外部设置有23个大小喇叭口。2个大喇叭口位于接线腔后部，21个小的喇叭口位于箱体最左侧上部。

接线腔内部布置有5个M6接线柱，用于交流电源接入和直流大电流的输出。此外还有12个九芯接线柱用于小电流的输出和外部通信电缆的连接。锂离子蓄电池电源的外形如下页图1所示。

2　工作原理

本电源由34只60 Ah磷酸铁锂锂离子电池、BMS电池管理系统（含报警及显示功能）、电源输入输出单元、充电单元、电源变换模块、本安通信模块等组成。

如下页图2所示，34节60 Ah磷酸铁锂蓄电池串联组成110 V/60 Ah电池组，在电池管理系统控制下实施充电控制、放电控制、数据采集、数据显示、报警及数据上传。

将井下～1 140 V、～660 V三相交流电源通过接线腔接入本设备内部，经过变压器变换为充电单元所需的～380 V供电电源。充电单元为恒流、恒压方式充电。按照锂离子电池特点并在设定的电流条件下为电池充电，在充电状态下当充电电流大于最大允许充电流时，自动切断充电回路，并将状态传送至报警及显示系统[3]。

34只温度传感器实时检测每只电池的温度，并将数据传送至电池管理系统并实时显示，当电池温度高于电池的最高允许使用温度时电池管理系统会自动切断电池的充、放电回路，系统报警并上传报警数据。

电池BMS管理系统实时检测各单体电池的电压及充电、放电电流，确保每只电池均在允许的工作电压和电流范围内工作，并显示电池组的剩余容量。在充电状态下，当充电过流达到充电过流保护值时，BMS管理系统切断充电回路，并显示报警信息及上传数据。

在放电状态下，当放电电流大于最大允许值时或某只电池电压达到最低允许使用电压时，切断放电回路，并显示报警信息及上传数据。

电池BMS管理系统接收主机指令并向主机发送数据供主机判断控制，同时将电源数据和状态通过LCD实时显示。

当电源充电系统发生故障时，显示器优先切换至故障显示界面。

锂离子蓄电池电源工作原理框图如图2所示[4]。

3　主要特点和功能

3.1　系统输入电源范围广

可选择交流1 140 V或660 V电源，电源波动范围±15%。

3.2　系统可以输出多种电源

1）煤矿井下变电硐室高开柜的控制和操作电源：直流 DC110 V（±1%）；交流 AC110 V（稳压精度±2%）。

2）煤矿井下变电硐室电力监控中心后备电源交流AC127V（稳压精度±2%）。

3）煤矿井下瓦斯、人员定位等监测监控后备电源交流AC127 V（稳压精度±2%）。

3.3　具有本安通信功能

可以实现运行数据实时向调度中心传输。

3.4　成倍延长后备时间

一套系统可以配置两套蓄电池电源装置，成倍延长后备时间，且两套蓄电池电源装置无需并联使用，一主一备，冗余备用。

3.5　系统具有多种保护功能

包括蓄电池过充保护、蓄电池过放保护、短路保护、充电过流保护、放点过流保护、蓄电池温度保护、直接接地保护等[5]。

4　主要创新点

4.1　电源系统集多种单元、模块于一体

矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源是集锂离子蓄电池、电池管理BMS系统、充电单元、电源变换模块、电源输入单元、输出单元和本安通信模块为一体的电源设备。

4.2　电源容量大

单体电池容量为60 Ah，电池组单体电池个数为34个，电池组的额定能量为6 600Wh，通过井下实际使用，可同时负载13台高压开关柜保护和操作电源、2台电力分站、4台监测分站工作8 h以上。

4.3　智能化程度高

矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源工作为智能化，具备对蓄电池的实时管理、检测及参数显示等功能，具有多台使用过程中相互通信、及数据传送的功能。具备对电源中蓄电池故障、充电系统故障等所有故障进行监测和报警的功能，具备全中文液晶显示功能。

4.4　系统稳定、可靠、环保，使用寿命长

电源箱采用锂离子蓄电池，能量比高，具有高存储能量密度，是铅酸电池的6～7倍；使用寿命长，可达6年以上；自放电率低，不到镍氢电池的1/20；重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5～1/6；绿色环保，无论生产、使用和报废都不含有和产生有毒有害金属元素和物质。

5　结语

矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源是煤矿井下变电硐室保护和控制设备及监控设备的配套产品，为井下变电硐室供电系统提供可靠的保护和控制电源，并为井下监控设施提供可靠的后备电源。该电源在煤矿井下的应用，解决了井下高开柜控制和保护电源不独立、保护装置保护特性下降、电力监控和监测监控后备电源、供电可靠性差，故障率高等问题，大大提高了煤矿井下供电的安全和可靠性，有效降低了发生大面积停电事故的次数，为实现井下自动化水平的发展奠定了基础。

[1]赵键.基于智能控制技术的铅酸蓄电池充电设备的研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[2]肖林京，张瑞雪，常龙，等.矿用电机车磷酸铁锂蓄电池在线状态检测系统[J].煤矿机械，2013，34（4）：206-208.

[3]邢海龙，邹甲，黄飞.磷酸铁锂电池用于煤矿蓄电池机车的可行性分析[J].煤矿机械，2013，34（5）：254-257.

[4]张乐，刘宝昌，郑义.通信系统磷酸铁锂电池规模应用可行性分析[J].电信工程技术与标准化，2014（3）：55-59.

[5]王平.磷酸铁锂电池在通信领域的应用浅析[J].通信电源技术，2012（s1）：18-20.