主通风机配电系统快切装置的研制与应用

赵秋培

(中国平煤神马集团尼龙化工公司，河南 平顶山 467000)

矿井主通风机是煤矿的关键设备之一，其用途是向井下作业场所连续输送新鲜风流，在煤矿生产过程中，对煤岩层中涌出或在煤炭生产过程中的气体进行冲淡并排出产生的各种有毒、有害、窒息、能燃烧或爆炸性气体、粉尘和水蒸气，进而调节井下作业条件，营造良好的生产环境，保证机械设备的正常运行，保障工人身心健康，并实现安全生产的目标[1-3]。《煤矿安全规程》规定：煤矿必须在地面安装2套同等能力的主要通风机装置，其中1套作为备用，必须保证主通风机的连续运行，当风扇停机时间超过5 min，需要切断井下供电，并将井下工作人员疏散到安全处，风扇停机时间超过10 min以上，就视为煤矿特大事故，所有人员必须撤离井下[4-5]。因此，每个煤矿都必须为主通风系统制定应急预案。据不完全统计，煤矿发生大范围停风的原因有3点：①上级输电单位或者输电线路上发生故障；②主要通风机配电室开关柜发生故障；③主要通风机故障。

故障②和③可以通过常规检修避免，故障①是不可预见的。因此，80%的煤矿大规模停风的原因是由于外部电力故障造成的。一旦某一线路的外部电源出现故障，必须在最短的时间内切换到另一电源。目前，主要通风机开关的电源切换大多是靠人工进行的，一般情况下，技术操作人员培训后大都可以完成此项工作，但在外部停电的情况下，操作人员由于紧张和压力过大，在切换时间上必然会滞后，也可能由于操作不当而导致事故的发生。因此，在煤矿通风装置中，采用双电源自动快速切换装置是非常必要的。当设备或供电线路出现故障或异常情况下，备用电源需要准确无误地投入运行，实现设备无故障运行，提高煤矿通风系统的用电安全系数，避免异步切换对设备的影响，简化操作流程，减少人为误操作，提高安全运行和电源切换自动控制水平。

1 设计方案

该系统设计方案采用理论研究、软件仿真与现场试验研究相结合的方法，具体如下。

(1)理论研究。①在断电的情况下，基于异步电动机能量衰减切换模型，研究异步电动机向母线能量传递的剩余电压和衰减机理，分析暂态切换过程。 ②根据电机残余电压特性曲线和电机电压限值，研究快速开关器件的4种分断切换方式：快速切换、同期捕捉切换、残压切换和长延时切换。 ③根据矿井主通风机的特点和重要性，研究其双电源快速切换的特殊机理。

(2)软件仿真。在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型来验证4种不同切换方式的可行性，以及初步验证关键参数的选择是否合适并且在此基础上进行适当调整。

(3)现场试验研究。①在确定容量和电网电压水平的基础上，确定各部件的参数和型号，对各部件进行排序，进行结构设计，通过相应软件对其发热、电磁干扰等进行仿真模拟，设计经济、安全、可靠的结构装置。 ②绘制硬件控制板硬件示意图和PCB图，列出制作控制板所需的部件，制作PCB板和焊接部件，对AD采样模块、总线模块、PWM模块、继电器等模块进行测试；编写程序，选择控制算法，设计整个系统的控制方案，编写程序，部分程序模块可以提前使用特定的调试环境。 ③装配装置，并在多步骤调试中尽可能进行测试、调试，提前拟定调试步骤，在调试中做详细的记录，尽可能降低调试成本，完成实验室调试后，现场进行工业试验和试运行，并长期观察运行状况，如果有问题，进行重复调试。

2 双电源快速切换原理及类型

对于电机的负载母线来讲，当母线失电时，由于母线仍与电机相连，母线失电后，由于电动机感应能的转移，其端电压仍然存在，这就是所谓的残余电压。残余电压的衰减与母线的负载特性有关[6-7]。由于残余电压的存在，如果进线开关断开后母联快速合闸，很可能会出现大的合闸脉冲电流，脉冲电流的大小与闭合瞬时电压的大小和相位有关，过大的脉冲电流会导致电机或电源出现故障或合闸失败。因此，必须对残余电压进行分析和研究。

2.1 电动机残压分析

电动机切换电路的等值模型如图1所示。

图1 电动机切换电路的等值模型Fig.1 Equivalent model of motor switching circuit

由图1可以看出，当供电线路中电源电压Us和电动机母线上残压Ud二者之间的夹角θ变化时，ΔU值有相应的变化。当θ值最大为180°时，ΔU最大，此时如果合上开关，压降对电动机的冲击损害最为严重。

基于供电线路母线上电动机的残余电压特性曲线和电动机耐受电流的冲击能力，线路母线残余电压向量轨迹在极坐标上有不同的变化，如图2所示。

图2 母线残压向量轨迹Fig.2 Trace of bus residual pressure vector

当电动机切换到电源时，电动机上的电压Um为:

为保证电动机安全启动，Um应小于电动机的允许启动电压，一般来说，其允许值为电动机额定电压UDe的1.1倍。

得:Um=ΔU×K=1.1UDe

在图2中，假定Xs∶Xm=1∶2时，则K值取0.67，可推出ΔU(%)值为1.64；假设以A点为圆心，半径为1.64绘出弧线A′—A″，则它的右侧为备用电源对应的安全区域，左侧对应为不安全区域；当K值取0.95时，对应ΔU(%)值为1.15，对应以A点为中心的弧线就右移到B′—B″，那么它的左侧均为不安全区域。由此可推出：当K值越大，安全区对应就越小。

2.2 切换类型分析

(1)快速切换。如图2所示，假定1号和2号电源线路的断路器相序一致，此时，电源线路电压向量的端点为A，当1号供电线路母线断电后残余电压向量的端点将沿此时的曲线由A点向B点方向移动，如果在A—B段内合上备用电源开关，既能保证电动机安全运行，又可使电动机转速不至于下降太多，从而继续运行，即实现“快速切换”(简称“快切装置”)，也就是理想状态开关模式下电源的正常切换。现实中，快切装置能否实现平稳过渡，是由工作开关与备用开关之间固有的原始相位差、启动方式、备用开关原有的合闸时间及供电母线上档时的负载状况等综合因素决定的。例如：当相位差的终端不大于60°时，初始相位差为10°(备用电源电压超前)，平均频率偏移是在闭合时间1 Hz内固有的，同理，如果初始相位差大于30°，或闭合时间大于140 ms时，则不能保证相位差的瞬时闭合小于60°。

(2)同期捕捉切换。在图2中，当BC段在经过B点时为不安全区域时，到达C点时必须停留至安全区域。此时，可以根据实时频率差与相位差的对应变化，当闭合反馈后电源电压与备用电源电压的第一相位重合时，即同步捕捉开关切换。在快切装置中，供电线路电源母线电压(紧急切换时的残压)的取样采用自动频率追踪技术，各线路电压的频率、相位和相位差均以快速计算，确保余幅和各相位差计算的准确性和可靠性。在同时分辨过程中，该装置可以准确计算上级电源与残压之间的相位角差速度和加速度，并根据设定的上级电源开关的断开时间准确计算出备用闭合导线，从而确保在第一阶段残压与目标电压向量重叠时的闭合捕捉切换。现实中，同期捕捉切换应用于小范围内切换，如±5°。断电后，当捕捉同期切换成功、母线残压为额定电压的65%～75%时，电机转速不会大幅下降，可以保证再次顺利启动。此外，由于2个电压处于同一相位，备用电源开启时的脉冲电流较小，不会对设备和系统造成损害[8-10]。

(3)残压切换。当供电线路母线残余电压降至线路额定电压的10%～20%时的切换，称为“残压切换”，该模式介于快速切换与同步捕获切换的备用切换，对提高电源之间切换的成功率有促进作用。目前广泛使用的工业专用电压感应将额定电压降至电动机额定电压的60%时，电动机将大量吸收无功功率而有功功率(转矩)急剧下降，当残余电压衰减量低于线路的正常供应电压时，电动机自启动环境将严重恶化，造成电动机不能自启动，同时线路中总线残余电压下降到自身额定电压的临界电压状态时，备用电源应在电动机临界电压之前投入运行，从而保证电动机运转的连续性。因此，残压切换适合于在大功率机组停机之后作为后备电源切换之前的电源切换[11-13]。

(4)长延时切换。特殊情况下，电源线路母线上的压降不易衰减而保留在线路上时，如果线路中残压定值设置不当，或者不需要进行备用电源及时投入运行，可能会造成合闸推迟或不再进行合闸操作[14-15]。此时，该装置可调整为长延时切换模式。

3 快速切换实施方案

矿井主通风机双电源快速切换拟实施方案如图3所示。 图3中，在原有高压系统基础上增加2台PT柜，安装在进线断路器前端，用于进线电压有无判断、相位检测和频率检测。快切装置和断路器之间的联络信号有:合闸指令、分闸指令和开关状态。

3.1 快切装置硬件结构

拟设计的快切装置采用双CPU+CPLD结构，该装置每个主模块都有自己的功能，相互之间并行工作，各模块运行效率高，以保证切换跳转响应时间小于3 ms，备份切换响应时间小于10 ms。

图3 矿井主通风机双电源快速切换系统示意Fig.3 Schematic diagram of duall-power fast switching system of mine main ventilator

快切装置硬件结构示意如图4所示。

图4 快切装置硬件结构示意Fig.4 Hardware structure of fast switching device

3.2 快切装置功能描述

(1)正常切换。供电线路正常运行环境下进行的正常工作电源之间的切换为正常切换。可以通过控制平台上的手动起动装置启动，完成从工作电源与备用电源之间的切换，或由备用电源开关到工作电源开关之间的双向切换。其中，手动并联切换方式逻辑如图5所示。

图5 手动并联切换方式逻辑示意Fig.5 Logic diagram of manual parallel switching mode

(2)故障切换。由于工作电源的原因(故障)从而引发的供电线路中工作电源自动切换到备用电源的现象称为故障切换。故障切换可分为2种模式。 ①串联切换。保护出口的启动装置反映工作电源失效时，应先关闭工作电源，使工作电源在满足同期条件时已关闭，然后开启备用电源。 ②并联切换。通过反映故障保护启动装置工作电源发出工作跳闸指令，因此在此期间满足条件时，该装置同时可在设定的时间延迟后再次发出备用电源开关合闸指令，以避免由于别的原因造成的线路断电，导致备用电源跳闸而引发的故障范围扩大。

(3)长延时切换。当供电母线上的残余电压不易快速衰减、电压、频率和相位等参数设定不合理，可能会延迟或停止合闸操作，从而进入该装置中的长延时切换模式。

(4)异常切换。供电线路中母线无故障低压引起的电源线路切换称为异常切换，具体有以下2种模式:①线路母线三相电压供电时长低于设定值的时间超过设定值的延时时间，快切装置自动跳离工作电源进入备用电源状态；②由于电源断路器故障，快切装置自启动备用电源。

4 快切装置综合评价

4.1 解决的关键问题

(1)快切装置实时监测、跟踪断路器两侧线路的电压、频率、相位等参数，提供多种可靠的启动方式和切换模式，不需人为干预，从而保证备用电源的快速安全投入运行，同时对设备不会造成较大的影响。

(2)可实现主通风机2个电源随时自由无缝切换，方便维修人员及时检修，降低劳动强度。

(3)当某一线路出现供电问题时，在无人参与的情况下自动无缝切换到另一条线路，提高了风机的安全性和可靠性。

(4)解决了维修人员操作不当对主通风机电机造成的绝缘损坏，延长了电机的使用寿命。

4.2 创新点

(1)建立了异步电机失电情况下的能量切换模型和双电源快速切换理论。

(2)采用双CPU+CPLD结构设计双电源快切控制器，通过编程软件对系统进行控制并应用于现场。

(3)系统全响应时间<10 ms，瞬时响应时间<1 ms，故障切换时间<200 ms。

5 结语

经过近半年的现场性能测试，系统运行安全可靠，连续稳定，状态良好。在此期间，维修人员使用该系统手动断开电源10余次，每一次都能成功切换，风扇基本上不受干扰，其他低压系统均正常。按照《煤矿安全规程》相关规定：当主通风机切换时，需要2名操作工配合作业且在5～10 min完成，现在只需一人瞬时操作完成，大大减少了切换电源的时间，有力保证了主通风机的连续运行。此外，该系统还具有以下优点:①提高全矿机电设备自动化水平；②大大简化了电源切换过程，保证了电源切换的安全性和可靠性；③工人的劳动强度大大降低。