矿用局部通风机应急电源装置的研发与应用

王文英

（华北重型装备制造有限公司，河北邯郸 056200）

0 引言

煤矿供电系统对煤矿安全生产有着极为关键和重要的作用，供电系统的可靠程度会直接影响到煤矿机电设备的正常安全运行。一旦供电系统出现问题，通风系统、排水系统等一类负荷无法运转，可能会出现瓦斯爆炸或淹井等事故，引发危及公共安全的重大事故，造成严重的社会影响。

煤矿井下掘进工作面的持续通风问题，是事关瓦斯灾害防治和井下工作人员生命安全的大事。尽管煤矿供电系统设计规范要求，大容量一类负荷的矿井应采用双重电源供电，但是并不能满足矿井安全生产供电可靠性的严格要求。因此，增设独立的第三电源点——矿用局部通风机应急电源装置，成为保障掘进巷道应急通风供电，实现安全生产的可靠选择。

1 应急电源系统

为煤矿井下掘进工作面局部通风机配备EPS（Emergency Power Supply，应急电源）可以防止因断电造成停风问题的发生，进而减少瓦斯爆炸事故。在煤矿掘进工作而发生停电停风故障时，实现自动应急供风，保障煤矿安全生产。

通过了解矿方的要求，结合井下使用工况，详细设计应急电源系统工作方案及控制原理，采用逆变技术和特殊矿用电源装置，研发出蓄电池储能式三相交流应急电源装置。该装置的投入使用将为局部通风机提供独立可靠的第三路应急供电电源，有效避免矿井掘进工作面因停电停风引发的瓦斯超限事故[1-2]。

2 总体方案设计及工作原理

2.1 总体方案设计

应急电源装置主要由储能蓄电池组、逆变器、充电机和控制系统等组成[3]。作为煤矿井下通风机的应急电源装置，基于铅酸蓄电池组储能，系统采用3 电池串联作为电源，通过逆变器将960 V 直流逆变成660 V 50 Hz 交流电为局部通风机应急供电，能够满足60 kW 局部通风机提供负载状态下，连续供电2 h 以上的持续动力。采用高效的逆变器控制方案，实现故障应急状态下负载供电的连续无缝对接。应急电源系统控制流程如图1 所示，应急电源系统接线如图2所示。

图1 应急电源系统控制流程

图2 应急电源系统接线

2.2 工作原理

防爆蓄电池提供直流电压，通过逆变器逆变成三相交流660 V 50 Hz 交流电为煤矿井下通风机供电，通过变压变频方式实现风机无冲击软启动。

（1）充电机向蓄电池组充电，以保证电量蓄能充足。

（2）当电网供电正常时，应急电源装置处于直流热备机状态，不向第三通风机输出电源。当电网供电出现异常时，应急电源系统自动检测主、备通风机供电线路是否异常，如果两路电源均发生掉电事故，应急电源装置立即启动，待延时10～20 s 后，第三通风机投入运行。当主、备通风机任一供电线路恢复供电，应急电源装置自动断电，第三通风机停运，应急电源系统转入直流热备机状态。

（3）配备的3 组特殊型电源装置，蓄能容量能够保证2×30 kW第三通风机负载正常运行2 h 以上。

（4）应急电源装置使用的工况：①安装位置：具有独立回风系统硐室内；②运行方式：直流热备机，自动切入；③适用条件：矿井高瓦斯突出区域；④环境温度：0～40 ℃；⑤相对湿度：0～95%无冷凝；⑥环境气体：处于进风流中。

2.3 主要设备设计及选型

以某煤矿井下掘进工作面为例，根据用户的需求，设计计算各种应急电源装置设备性能参数，其中主要设备性能参数见表1。

表1 主要设备性能参数

2.3.1 矿用隔爆通风机专用逆变器设计[4-6]

矿用隔爆兼本质安全型通风机专用逆变器符合MT 1099—2009《矿用变频调速装置》标准。设计的专用逆变器有内置电池电量显示、容量检测功能。专用逆变器具有欠压保护、过压、过流、短路和漏电闭锁、风、电闭锁及瓦斯、电闭锁等功能。其具有局部通风机工作状态监测接口，模拟量输入接口2 路，开关量2 路，控制逆变器自动切换功能。工业显示屏可以实时显示应急电源系统工作状态、输出电压、电流、频率、电池电压、负载率、故障、电池低压报警等信息。并配备专用输出滤波器，能够有效抑制谐波污染，提高功率因数。有效供电距离可达500 m。

专用逆变器主要技术参数：①产品型号：BPJ-110/660F（1 台）；②额定输入电压：DC 960 V；③额定输出功率：110 kW；④额定输出电压：AC 660 V±10% 50 Hz。

专用逆变器采用三电平逆变器，内置高性能DSP 芯片，配以失量控制算法，输出电压波形接近正弦波，逆变器输出波形如图3 所示。

三电平逆变器输出波形已经近似正弦波，能够有效减少对电网的谐波污染，延长电机的使用寿命，控制性能更加优异。

2.3.2 防爆特殊型电源装置选型

选用符合MT 658—2011《煤矿用特殊型铅酸蓄电池》标准的铅酸蓄电池组。铅酸蓄电池组适用环境温度0～40 ℃，使用隔爆型插销连接器，保证各设备间线缆可靠连接，固定牢靠。

铅酸蓄电池组基本参数选择：①产品型号：DXT320/210（3组）；②额定电压：DC 320 V；③额定容量：210 A·h；④配置数量：3 组。

2.3.3 矿用隔爆兼本安型充电机选型

矿用隔爆兼本安型充电机具备智能自动充电功能，数字显示屏可将充电参数和状态实时显示，具有极性判断、保护功能和过压、欠压、过流、过载等保护功能。矿用隔爆兼本安型充电机如图4 所示。

矿用隔爆兼本安型充电机基本参数选择：①产品型号：ZJC80/504K（A）（1 台）；②供电电压：三相380/660 V 50 Hz；③输出电压：20～504 V；④输出电流：DC 0～80 A。

3 结语

该矿用局部通风机应急电源装置普遍适用于各煤炭生产企业，现已在部分单位煤矿井下正常使用。在煤矿井下掘进工作面发生停电停风故障时，实现自动应急供风，避免煤矿井下掘进工作面局部通风机双停现象的发生，保障煤矿安全生产，提高煤矿井下掘进面的供风可靠性，为煤矿井下掘进面工人的安全增加一层保障，加快工作面的推进速度，提高工作效率，对防止瓦斯超限、减少瓦斯事故、改善煤矿生产安全状况具有重要意义。