基于高瓦斯矿井安全供电技术分析

刘海富

（大同煤矿集团公司忻州窑矿 ，山西 大同 037021）

1 煤矿供电系统概述及存在问题

煤矿的供电系统主要由电网变电站或是发电厂将电能输送至煤矿，经降压后，向煤矿地面及井下变电所进行配电，形成高压供电系统，再由各变电所降压后用于用电设备。

煤矿电力负荷主要分为三类，如表1所示。

表1 煤矿电力负荷分类表

高瓦斯矿井中的I类负荷较多，一旦发生供电事故后果不堪设想。因此《煤矿安全规程》中规定矿井必须应有两条回路电源线路，如其中一回路发生非计划停电事故时，另一回路能够担负矿井所用负荷供电，且两回路电源线上不能够分接任何负荷。但当忻州窑矿井主供电源回路正常运行，另一回路带电热备用过程中，经常会发生主供电源回路停电时，不能够快速有效地向备用带电回路进行切换。所以，如何完成电源快速切换，且确保矿井负荷连续供电，不对供电主设备造成损坏，是确保高瓦斯矿井供电安全的重中之重。

2 电源快速切换装置的开发与应用

2.1 在矿井地面供电系统中的应用分析

通常情况下，煤矿供电系统在设计时都会考虑到双路供电的切换问题，主要是依据传统的备自投设计考虑，但是，矿井备自投切换时间过长，且无相频进行检测，高瓦斯矿井备自投装置都已退出运行。

煤矿电网快速切换系统研究的基本原理依据主要是：电动机、发电机等产生的转动负荷在工作电源切断后会在母线处产生一定的反馈电压，即为残压。因此，需要针对煤矿供电系统中的用电设备进行全面剖析，主要设备有电动机、变压器、发电机等。基于煤矿中负荷的类型复杂、数量较多，难以进行数据的实地测量，因此本文采用数据建模的方式，应用仿真的试验方法和技术路线，并结合现场的实际情况进行切换试验验证。其研究路线和装置的软件研发及生产工艺流程分别如图1、图2所示。

图1 试验路线图

图2 生产工艺流程示意图

本试验的仿真器采用加拿大产的实时数字仿真器RTDS（图3），通过严格的试验论证，对矿井供电系统可能出现的一些情况进行仿真模拟试验，以验证“电源快速切换装置”的动作行为与保护间的配合度情况。经试验后可得：快速切换装置能够很好地实现供电的不间断性和可靠性。

图3 实时数字仿真模型

通过在同煤集团公司安装PCS-9655S型电源快速切换装置后，很好地填补了公司内高瓦斯矿井及高电压等级上成功应用的空白。该电源切换装置自2012年5月在川底35kV变电站投入运行后，在后续两年内发生上级电网波动情况时，成功地完成了主供电源向备用电源回路切换的工作。经咨询忻州窑矿后，矿方回复矿内各负荷均未受到影响。该装置在经历实际事故的验证后，能够有效确保矿井的安全供电和生产，避免了企业的经济损失。

2.2 在井下供电系统中的应用分析

煤矿主通风机是用于矿井井下通风的主要设备，一旦通风机发生停电故障，导致主通风机停止工作后，井下瓦斯将会聚集，当达到超限指标后，极有可能诱发煤矿瓦斯爆炸事故。煤矿主通风机的安装位置主要在远离矿区的偏远区域，对于一些机电设备来说，供电距离相对较远些，且通常采用架空线路的方式，外部影响因素较多，因此经常会发生停电事故。据相关统计，大约有90%以上的主通风机停电事故是因外部停电故障诱发的，因此为了避免高瓦斯矿井主通风机因停止运行导致瓦斯聚集超限的状况发生，煤矿主通风机必须安装有效的电源快速切换装置，以便发生供电事故后可以快速投入备用电源。如图4所示为忻州窑矿主通风机供电系统及快速切换装置的安装示意图。

图4 煤矿主通风机供电系统和快速切换装置的安装示意图

主通风供电系统及快速切换装置主要采用以下两种切换方式：进线电源开关互相备用的切换方式和母联分段开关切换方式。进线电源开关互相备用切换的方式：主要是1#开关正常运行，2#开关热备，当1#开关电源发生供电事故后，将会自动切换到2#电源开关继续运转；此外系统装置也可以采取母联开关切换方式：该切换方式是1#和2#同时带电，母联热备，1#电源带动1#主通风机运行，2#电源带动2#主通风机运行，供电电源发生故障时，由母联运行来完成切换工作。在实际生产工作过程中，为了降低通风机的停电率，通常会采用母联分段开关备用的大分列运行方式，这样可以实现当一条线路出现故障后，另一主通风机可以快速恢复正常运行。

但在实际切换中，假若只是简单地将主供电源回路切换至备用电源回路的话很容易会放大事故。所以在快速切换备用电源回路前，装置应预先进行基本的逻辑判断，在排除一切故障后，才能正确投入使用。具体判断情况：

（1）当下级回路发生过流故障跳闸时，跳闸电流过大，故障电流将会反映到进线开关的电流互感器上，因此通过在快速切换装置上设定一个电流闭锁门槛值，当故障电流进入闭锁门槛值时，会驱动主通风机故障报警系统发出报警信号，且闭锁切换装置，此时可通过人工倒换风机操作投入备用主通风机进行运转。

（2）当快速切换装置通过无流低频检测，即进线开关在额定电流的5%以下，频率在49Hz以下的情况未发生较大故障电流时，会启动快速切换装置。此刻如果已经确认进线开关跳开，且备用电源电压和频率都满足快速切换的条件下，切换装置会直接闭合母联分段开关；反之如检测进线开关未跳开的话，切换装置会先发出跳进线开关指令，当收到进线开关已跳开信号后，再发出相应命令，投入备用电源。这样可以有效保证断开在进线开关上级的故障点，确保风机的持续运转。从而实现当一回路电源发生故障或其他原因停电时，系统自动检测并排除故障，另一回路自动投入，主通风机持续运转的目的。

（3）当快速切换装置检测到主供电源回路无电压和电流，同时备用电源回路电压和频率都达不到正常设定值的情况时，快速切换装置为了避免切换到备用回路仍无电的情况，将不进行备用电源回路的切换。此时快速切换装置会继续检测一定时间（通常设定为5s），在这一时间间隔内，如果备用回路电源恢复正常情况的话，将自动切换，反之将发出报警信号进行人工处理。

3 结论

通过在忻州窑矿进行电源快速切换装置的研究与应用，尤其是在矿井主通风机中应用可知，该装置能够及时对停电故障进行判别分析，快速切除故障点并恢复备用电源回路，进而有效确保矿山主通风机的持续运转，使矿山企业的安全供电和安全生产得到有效保障。