矿用通风机应急供电系统的设计与应用研究

赵 军

（华阳二矿，山西 阳泉 045000）

引言

我国每年都要开采大量的煤炭资源，以顺应社会经济的高速发展[1]。煤炭开采过程中不可避免地涌出大量的瓦斯以及其他有毒有害物质，会对井下工作人员的身心健康和安全构成威胁[2-3]。矿井中必须要使用通风机排出井内各种有毒有害物质，同时向内部输入新鲜空气，为工作人员创造安全的工作环境[4]。通风机作为电气设备，需要供电后才能运行，一旦供电系统出现故障问题，则通风机无法正常运行，从而威胁井下安全[5]。基于此，有必要设计研究矿用通风机应急供电系统，确保在矿井供电系统出现故障问题时，能够紧急启动对通风机进行供电，保障井下安全[6]。

1 矿井局部通风机供电方式

考虑到通风机在煤矿开采过程中的重要性，目前针对矿井局部通风机普遍采用的是“三专两闭锁”的供电模式。图1 所示为矿井工作面局部通风机的供电示意图。“三专”指的是对主通风机设置专门的变压器、开关和供电电缆，以提升供电的可靠性。“两闭锁”指的是瓦斯和风电闭锁，在“两闭锁”的综合作用下，一旦检测到矿井内瓦斯浓度超标或者通风机停止工作时，会对矿井内的采煤设备进行断电闭锁保护。为了提升通风系统的可靠性，井内除使用主通风机外，还会设置备用通风机，一旦主通风机停止工作，会启动备用通风机运行，但启动过程需要一定的时间。此过程中如果矿井中瓦斯涌出速度过快，会导致矿井内瓦斯浓度急剧升高，威胁矿井安全。另一方面，矿井工作环境非常复杂，湿度较高，使得备用通风机供电系统容易出现故障问题，导致设备无法正常启动，存在很大的安全隐患。基于上分析可以看出，传统的矿井局部通风机供电方式虽然具有很高的可靠性，但在极端环境下还是存在一定的安全隐患。所以有必要设置应急供电系统，以便在紧急情况下对矿井局部通风机进行正常供电，保障矿井安全。

图1 矿井工作面局部通风机供电示意图

2 应急供电系统的整体设计方案

根据矿井及其通风系统实际情况，设计研究了应急供电系统，如图2 所示为应急供电系统的整体方案框图。由图可知，整个应急供电系统主要由两大部分构成，分别为储能电池系统和功率传输系统。

图2 应急供电系统的整体方案框图

2.1 储能电池系统

由图2 可知，储能电池系统同样可以划分成为两大部分，分别为电池组和管理系统。电池组选用蓄电池，其存储的电量要求能够对主局部通风机进行连续60 min的供电。为了提升电池组容量，采用串并联方式连接多个电池组。为了保障电池组能够进行连续稳定供电，还专门设置了管理系统，作用是对电池组的技术参数进行持续监测，确保电池组能够正常工作。需要检测的技术参数主要包括电池组的温度、电压和电流大小等。如果发现电池电压降低时，则可以利用矿井供电网络对电池组进行充电，确保电池组持续保持满能量状态。

2.2 功率传输系统

功率传输系统主要由三大部分构成，分别为变换器、变流器和控制电路。从上页图2 中可以看出，功率传输系统是主通风机和储能电池系统之间的联系纽带。当矿井供电系统正常工作时，应急供电系统处于并网运行状态。变换器和变流器的作用是对输入的电压进行整流和降压处理，从而对储能电池进行充电。在此过程中电池组可以对主通风机的无功功率进行补偿。当系统检测到煤矿配电网存在问题时，则立即将馈电开关K1断开，将开关S 和K0闭合，将应急供电系统投入使用。此时变换器和变流器需要对电池组输出的电压进行整流和升压处理，然后对主局部通风机进行供电。

2.3 应急供电系统的连接形式

设计的应急供电系统通过并联的方式接入到通风系统供电线路中，图3 所示为应急供电系统的连接形式示意图。由图可知，应急供电系统通过开关S接入到供电系统中，与主通风机供电线路处于并联状态。当专用供电系统正常工作时，开关K1、K0和S全部处于闭合状态，主通风机由专用供电系统供电，同时对应急供电系统中的电池组进行充电。当应急供电系统投入使用时，则将馈电开关K1断开，开关S 和K0仍然保持闭合状态，通过应急供电系统对主局部通风机供电。

图3 应急供电系统的连接形式示意图

3 应急供电系统模式切换方法

矿井主局部通风机停止工作的原因有两点：其一，专用供电电源或者线路出现故障问题，无法正常供电；其二，通风机或者馈电开关本身存在故障问题，无法正常工作。如果是后者原因导致主通风系统无法工作，此时将应急供电系统投入使用会适得其反，对通风机造成损害。因此，应急供电系统在模式切换前，需要对风机负载开关状态、专用电源工作状态和供电线路运行状态进行综合判断分析。图4 所示为应急供电系统模式切换流程图。当主通风机专用电源和供电线路能够正常工作时，应急供电电源的储能型变流器并网运行，同时储能电池进行充电并无功补偿。如果检测到专用电源和供电线路出现故障问题，则系统会发出“孤岛信号”，认定主通风机处于孤立状态。进一步对主通风机的负载开关状态进行判断，如果发现主通风机负载开关处于断开状态，则认为主通风机存在故障问题，系统将切换到备用局部通风机，同时将应急供电系统切断，避免对主通风机造成损伤。如果主通风机负载开关正常闭合，则认为主通风机能够正常工作，发出模式切换信号，将应急供电系统投入使用，同时将闭锁专用总馈电开关进行断开处理，防止应急供电系统对整个矿井供电网络供电，造成应急供电系统电量的损耗。

图4 应急供电系统模式切换流程图

4 矿用通风机应急供电系统的应用

将设计的通风机应急供电系统应用到煤矿通风系统工程实践中，并对其各项功能进行测验，发现效果良好，所有功能都能够实现。测试时当人为切断通风机专用供电线路时，系统可以判断供电线路故障问题，立即将应急供电系统投入使用，保障主通风机的正常工作，连续供电时间为60 min 左右。应急供电系统的成功实践应用，一旦矿井内部出现紧急情况，则可以为井下工作人员的撤离赢得宝贵的时间，在很大程度上提升了矿井的安全性，安全效益显著。

5 结论

该系统在紧急情况下可以对主通风机进行连续60 min 供电。将设计的通风机应急供电系统应用到煤矿开采工程实践中，经过测试发现各项功能均能正常运行，可显著提升矿井的安全性，取得了良好的安全效益。