西铭矿风机房供电系统快速切换技术研究

杨晓春

(西山煤电集团 技术中心, 山西 太原 030053)

煤矿矿井供电安全监控管理系统建设是煤炭企业保证矿井安全高效、顺利生产的重要技术前提，而供电系统突然断电会使矿井内风机临时停转，导致瓦斯超限，不仅会对煤矿安全生产造成影响，甚至可能导致矿井发生重大安全事故，威胁矿井内工作人员的人身安全。因此，当供电系统出现故障时及时检测和识别问题，并迅速确定发生故障位置、进行自主隔离，同时快速切换恢复供电尤为重要。

在电源快速切换领域，东南大学起步较早，提出了“同期捕捉”理论。目前，南京东大金智等厂家已开发出了发电厂用电快速切换装置，并在电厂、石化行业得到广泛应用[1]. 由于煤炭行业变电站对安全供电可靠性要求高的特殊性，对于煤矿变电站电源快速切换装置的研究较少[2]. 因此，当矿井供电系统无法正常工作时，研究如何快速应对、处理故障及恢复供电具有十分重要的价值与意义。

1 概 况

目前，西山煤电集团西铭矿所辖4个风机房，其供电系统相关进线装置的供电方式采用的都是双回路输电线路。根据不同运行方式，分别为一用一备运行方式、大分裂运行方式。其接线图可简化为图1.

图1 供电系统典型接线简化图

当运行的主扇供电线路发生故障停电后，采用人工方式断开故障进线开关和运行风机开关，合上母联开关后检查6 kV系统正常后合上运行风机开关，由另一回路的电源带运行风机运行，此时风机已经停转，对于煤矿来说具有很高的风险。

通常,该类电源装置均由外接工作备用电源通过其中的辅助电源接点直接进行投入,也就是有部分此类装置需要通过外接备用工作电源,经由低压、延时继电器开启而间接投入。在电网切换中存在以下问题：切换期间所耗费的时间过长，达到重新送电标准之前，井下风机等设备可能已停止运转；相频的相关检测缺失，风机负荷以及备用供电装置极易受到过大的电流冲击导致损坏；自投成功率低；加入发生母线永久性故障的现象，还会增加事故的范围。

2 快速切换技术原理

2.1 快速切换原理

以极坐标图的形式描绘出的某300 MW机组6 kV供电母线在高残压下的相量变化曲线轨迹模式见图2. 图2中所示VD为母线电源残压，VS为两个备用线路电源母线电压，ΔU为两个备用电源线路电源母线电压与备用母线电源残压间的相位差压。

图2 母线残压相量轨迹图

如图2所示，电路正常工作时，工作回路电源开关给母线供电,如果在连接工作回路电源侧母线出现短路故障,必须首先直接跳开1DL，即关上工作回路电源开关,然后直接合上2DL.

此时由于异步传动器的母线不断发生失电,电动机将逐渐出现惰行的电机运动暂停现象。一般情况下，负荷使用的都是异步电动变速器的电动机，因此，对于单独使用一台电动机来说,切断一个电动工作台的驱动电源后,其异步变速电动机的定子电流消失，转子电流逐渐减小。在各种不同机械驱动力和各种惯性的共同推动作用下，转子机的转速将从原来的额定值逐渐减小甚至消失。其中的定子电流和定子磁场将逐渐减小形成一个驱动反馈机的反应速度电压,也称为反应残压，残压的幅度随反应频率和回馈反应速度幅值将逐渐减小，逐步衰减。通常，电动机最大总负荷的电容量越大，残压反应频率和回馈反应幅度的值在逐渐衰减的过程中反应速度越慢。

为了分析方便，选取一个单台电源驱动系统与单台备用电动机作为具体分析实例，将一个备用单台电源驱动系统和单台电动机间的等值处理电路按照其暂态功能分析处理模型进行充分处理简化，忽略电源绕组驱动电阻、励磁电压阻抗等，以一个等值电势系数VS和一个等值励磁电抗XS分别代表一个备用单台电源驱动系统，以一个等值电势系数VM和一个等值励磁电抗系数XM分别表示单台电动机，见图3.

图3 单台电动机切换分析模型图

由于单台直流电机在自动断电后定子稳压电路会开路,因此其电势VM可以等于机端直流电压,在备用直流电压电源合并接上前，VM=VD.而当备用稳压电源完全合上后,电动机放在绕组上所承受的机端电压UM就变为：

UM=XM/(XS+XM)×(VS-VM)

因：VM=VD，则(VS-VM)=(VS-VD)=ΔU

所以，UM=XM/(XS+XM)×ΔU

(1)

令：K=XM/(XS+XM)，则：

UM=KΔU

(2)

为保证电动机安全，UM应小于电动机的允许起动电压，设为1.1 倍额定电压UDe，则有

KΔU<1.1UDe

(3)

ΔU(%)<1.1/K

(4)

设此时图2中弧线:XM=1∶2，K=0.67，则ΔU(%)<1.64. 若在此时图2中,以两个弧线上的A为一个实例圆心，以1.64为其具体应用中的半径，以此用来描绘出一个连在弧线上的节点A′-A″，则A′-A″为图中带有两个备用安全合闸电源以及其他允许自动合闸的安全自动供电电源区域，左侧则均为不安全自动合闸供电区域。此时若按照需求，在图中取途中弧线K=0.95，则ΔU(%)<1.15，图2中两个弧线上的B′=B″的左侧均为不安全自动合闸供电区域，理论上此时如果取图中K=0～1，可见其在图中弧线K值越大，安全区越小。

假定一个能源电路系统在正常工作过程中，其工作电源负载电压与备用电源负载电源的电压及电流处于同相位，其一条母线上的电压驱动电流所在相量幅度曲线上的端点固定为母段上的A，则当某一条母线上的电压或电流失去电源供应时，其母线残压驱动电流所在的相量幅度曲线上的端点沿另一条母线上的残压电流相量幅度曲线上的端点A由下向上旋转至母线B段的方向进行前后左右往复移动。如能在一条母线上的A—B段同时再接合上一个工作备用能源工作负载电源,则既能有效地保证一个备用能源电动机的运行安全,又不会在使用的同时使得电动机转速有明显过多的下降,这样也就是通常所谓的“快速切换”[3].

2.2 切换动作

快切捕捉装置按照主要动作的时间先后切换次序,可以大致分为4种主要动作切换情况:1) 快速捕捉切换。2) 同期延时捕捉快速切换。3) 残压捕捉切换。4) 长时间延时捕捉切换。

图2中，在B点施行原切换方式，即采用快速捕捉切换方式，对处于驱动中的电机是安全的;但当时间延长到C点以后时，再进行判别，实现切换则为同期延时捕捉快速切换，此时对处于驱动中的电机是安全的；等驱动电机中的残压衰减系数及其衰减的峰值达到20%～40%时，对其进行切换则为残压捕捉切换，这种快速判别切换捕捉方式同时可以被用来作为快速捕捉切换及同期残压快速捕捉快速判别这两种快速切换方式的备用之选。

在工程实际应用中,快速启动切换开关能否成功实现的关键因素是工作开关电源与其他备用开关电源的固有初始电压相位差、备用电源开关固有的合适跳闸停止时间以及快速启动切换开关装置的快速启动操作方式等。对于如600 MW的大容量机组，其开关安置于发电机出口位置。倘若同时发生备用工作回路电源稳压故障,需要通过此切换开关自动切换至全部备用工作电源，实现安全自动停机。但当由于备用工作电源的负载容量范围过小,无法实现同时承担全部稳压负载或残压全部负载,导致无法及时实现自起动,只能通过长延时电源切换开关达到停机目的。

2.2.1 快速切换时电流电压波形

快速切换时电流电压波形变化见图4. 母线电压变化幅度很小，其电动机转速变化很慢，备用电源可以顺利进行自启动，且电流很小。

图4 快速切换时的电流电压波形图

2.2.2 同期捕捉切换时的电流电压波形

同期捕捉切换时的电流电压波形变化见图5.

图5 同期捕捉切换时的电流电压波形图

目前有多种技术手段可以直接实现母线在过零点附近不需要超过5 V(±5 V)电压即可进行母线合闸，以图2应用实验室的参数电路为应用实例,同期进行捕捉信号切换时,母线合闸电压一般是额定合闸电压的65%～70%,此时电动机的转速减小幅度在可控范围内，一般情况下可以自启动。与此同时,当再组合一个备用交流电源时,同相的交流电压减小了电流冲击时的电流,避免了对供电系统及其它相关供电设备性能造成较大损害。

2.2.3 残压切换时的电流电压波形

残压的切换过程一般情况下指当母线的整流电压变化减小到母线额定电压的20%～40%后，其做出的切换。虽然采用该残压切换方式可以有效确保一台电动机的安全,但当电机停电持续时间过长时,电动机主体能否及时完成自起动以时间长短均会受到一定限制。图6展示了电机残压切换时的交流电压值和电流频率波动幅度曲线,残压切换需要约1 s的残压时间就可以使得残压衰退达到40%,需要1.4 s的残压时间就可以使得残压衰减到20%. 其他发电机组的残压实验分析结果显示其只需要2 s的残压时间可以衰减到20%[4].

图6 残压切换时的电流电压波形图

3 应用效果

西铭矿风机房供电系统采用的是MFC5103A快切装置，该装置的安全性、灵活性、快速性、准确性、可靠性等都优于其他装置，提高了该矿的自动化水平，弥补了相关技术方面的缺陷。为充分验证研究成果的可靠性，进行了多次试验。首先，用继电保护测试仪在快切装置电压、电流采样端子上分别施加电压、电流，发现快切装置精度符合标准。通过试验台加入模拟量，配合现场开关完成验证实验，发现快速切换装置切换正常，得出的试验波录图见图7.

图7 试验波录图

4 结 论

依据本文所提供的设备工作原理、结构及技术参数进行设计的快切装置，具有良好的安全性、灵活性及可靠性。在电源线路发生故障情况下，能够及时检测和识别故障，并迅速确定故障位置、进行自主隔离，同时达到快速切换的目的，真正实现“风机不停、瓦斯不超限”。在故障清除并恢复送电后，保证了电网可以连续供电，避免二次故障发生，增大故障发生范围，从而引起二次停电的现象，提高了电网的安全性与可靠性，避免对电网的冲击。