矿井通风机应急供电储能装置的研究

赵 莉

（晋能控股煤业集团忻州窑矿，山西 大同 037003）

引言

矿井在生产的过程中需要通风机为矿井内提供新鲜的空气，将矿井内的瓦斯排出矿井，通风机的正常运行保障着矿井的安全生产与井下工作人员的生命安全。传统的矿井通风机采用双电源供电[1]，当煤矿发生非计划的停电时主通风机和备用通风机都无法工作，不能保证矿井的安全生产。因此构建矿井通风机应急供电储能装置是极其必要的[2-3]，能够确保矿井内通风机在发生电力故障时仍能够运行，保障矿井的安全生产与人员的安全。

当矿井因为电源故障发生通风机停止运行的情况时，矿井通风机应急供电储能装置能够在极短时间内启动为通风机提供电源，防止安全事故的发生。因为矿井内环境复杂狭小，矿井通风机的功率因素较低，这些因素都对矿井通风机应急供电储能装置的设计提出较高的要求，本文研究的矿井通风机应急供电储能装置采用铅炭电池作为储能装置为主通风机或备用通风机供电，并且采用PWM设备充放电，不仅使设备更加安全可靠，并且适用性更强。

1 矿井通风机应急供电储能装置构建

现阶段煤矿使用的备用供电方式是在主通风机专用电源发生故障时切换到备用通风机进行通风，该方式能在一定程度上提升矿井的安全生产能力，将没有通风机运行的时间降至很低。但是在主通风机停止运行期间，备用通风机因为其他原因无法运行时，为了避免瓦斯聚集等原因产生的危险需要停止井下作业。

本文设计的矿井通风机应急供电储能装置在主通风机专用电源断电时，应急供电储能装置迅速接入为主通风机进行供电，这样不仅使通风机能够不间断工作，并且能够提升矿井内生产的安全性，同时避免因为备用通风机无法使用造成的安全事故，使煤矿的生产更加安全、高效。

矿井通风机应急供电储能装置的设计功能是当检测到主通风机电源故障时，储能装置进入应急模式为主通风机提供半小时以上的供电，以保障主通风机的正常运行，使工作人员有足够的时间处理主通风机电源故障。同时当主通风机自身故障等原因导致的主通风机无法使用，为了避免矿井通风机应急供电储能装置矿井通风机系统造成二次伤害，需要在启动应急模式前对矿井通风机系统的状态进行检测判断，如果主通风机或者主通风机线路发生故障，则需要启动备用通风机。使用矿井通风机应急供电储能装置的矿井通风机系统运行状态有如下三种情况：

1）主通风机专用电源正常工作，主通风机正常运行工作，矿井通风机应急供电储能装置处于充电状态；

2）主通风机专用电源正常工作，主通风机发生故障，通过信号反馈矿井通风机应急供电储能装置不进入应急模式，备用通风机启动；

3）主通风机专用电源故障，馈电开关正常，通风机应急供电储能装置启动应急模式为主通风机或备用通风机供电。

通风机应急供电储能装置在启动应急模式需要断开专用总馈电开关，防止通风机应急供电储能装置对专用电源倒送电。煤矿中矿井内低压配电网接入通风机应急供电储能装置示意图如下页图1所示。

图1 通风机应急供电储能装置示意图

矿井通风机应急供电储能装置备用充电模式和应急电源模式应急供电储能装置工作模式的切换过程如下页图2所示。

图2 矿井通风机应急供电储能装置模式切换流程

2 通风机应急供电储能装置的整体结构

通风机应急供电储能装置的工作模式处于备用充电模式时需要监控通风机应急供电储能装置的状态，必要时将电网的交流电转换为直流电对电池组进行充电；当装置处于应急供电模式下，需要将电池组的直流电转换为标准的三相正弦电驱动通风机运转。

传统通风机应急供电储能装置的充电电路与逆变电路是独立的，使用两套设备冗余度高但是效率低结构复杂。PWM变流器具有整流和逆变的功能，所以可以采用PWM变流器作为应急供电储能装置的充放电装置，并且在PWM变流器与储能器件之间增加双向DC/DC变换器，通风机应急供电储能装置的整体结构如图3所示。

图3 通风机应急供电储能装置的整体结构

该结构不仅简化了通风机应急供电储能装置的结构，装置的稳定性与可靠性也得以提高。

3 通风机应急供电储能器件的选择

常见的储能器件有铅酸电池和锂电池，两种电池的优缺点如表1所示。

表1 铅酸电池和锂电池优缺点

铅炭电池是一种新型电池[3]，通过在传统铅酸电池负极中添加一定量的碳材料，加速活性物质转化，活性炭表面成为新的活性区域，减弱了极板的极化现象，有效地保护负极，延长了电池的循环使用寿命，具备铅酸电池的优点，并且改善了铅酸电池在高充放电倍率下的性能。所以通风机应急供电储能装置使用铅碳电池作为储能器件。

通风机应急供电储能装置作为主通风机的备用电源要满足主通风机启动时的瞬时功率，并且能够为主通风机提供30 min以上的电能。为了提升通风机应急供电储能装置的经济性，电池需长期使用，为了保证电池的使用寿命，需要对电池进行合理的充放电来延长电池的寿命，所以电池的性能要满足如下公式：

式中：Wbat为通风机应急供电储能装置电池组容量；Pbat为通风机应急供电储能装置输出功率；Sn为矿井通风机额定功率；Sst为矿井通风机启动瞬时功率；W为通风机运行30 min所需要的电能。

4 结论

通风机应急供电储能装置保障着矿井内的安全生产，防止因为通风机停止工作产生危险，本文设计的通风机应急供电储能装置作为主通风机的应急电源，有以下几方面作用：

1）防止矿井因为供电故障导致井下通风不畅引起的危险，在停电时通风机也能够正常工作半小时，在检修电力设备的同时不影响正常生产；

2）采用PWM变流器与双向DC/DC组成的功率变换系统简化了通风机应急供电储能装置的整流和逆变装置，使通风机应急供电储能装置更加安全稳定；

3）使用铅炭电池作为通风机应急供电储能器件，降低了煤矿的成本，并且安全稳定。