直流电源在煤矿井下供电系统中的应用

江俊峰

（阳泉煤业集团有限责任公司二矿，山西 阳泉 045000）

煤矿井下供电系统普遍存在供电线路短、多级变电所级联导致拓扑结构复杂，导致过流保护整定困难，没有时间级差裕度。阳煤集团二矿（以下简称二矿）井下高压供电系统，在发生短路故障时，不能完全避免高压供电系统越级跳闸事故。越级跳闸导致停电范围扩大，且供电系统庞大，恢复送电时间较长。以上各种不利因素直接威胁着二矿的供电安全和矿井安全，制约着矿井生产规模的扩展。

为了解决上述问题，二矿井下部分变电所高爆开关的控制和保护电源改造为直流控制电源。高压供电系统可靠性得到提高，越级跳闸次数减少。

1 煤矿井下高爆开关控制电源常用方案及缺点

（1）目前煤矿井下高爆开关的控制和保护电源，与高压供电系统同源。即高爆开关的控制和保护电源由开关内高压互感器二次线圈输出的100V交流电源提供。控制和保护电源不独立，供电可靠性差，故障率相对较高。

（2）当变电所某一馈出线路出现短路时，系统电压可能瞬时下降至额定电压的60%以下，导致高爆开关中高压电压互感器的二次输出电压也随之急剧下降，控制和保护回路失电，保护装置出口继电器不能快速可靠的动作，断路器不能可靠分闸。

（3）由于井下高爆开关采用的是与供电系统同源的保护和控制电源，随着系统电压的波动、多次谐波干扰等不良因素也通过高压互感器直接传递至保护装置电源端，造成保护装置工作电源的质量和稳定性差，长期如此，可导致保护装置保护特性下降。

（4）当线路遭受雷击时，雷电过电压可以通过高压电压互感器瞬时传递到高爆开关内的控制和保护回路，烧毁元件，导致保护和控制装置功能失效。

2 煤矿井下使用直流一体化电源方案

2.1 直流一体化电源工作原理、功能及组成结构

（1）矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源是集锂离子蓄电池、电池管理BMS系统、充电单元、电源变换模块、电源输入单元、输出单元和本安通信模块、逆变器为一体的电源设备。设备工作为智能化，具备对蓄电池的实时管理、检测及参数显示等功能，具有多台相互通信及数据传送的功能。具备对电源中蓄电池故障、充电系统故障等所有故障进行监测和报警功能，具备全中文液晶显示功能。

（2）直流一体化电源提供的直流控制和保护电源和高爆开关自身高压互感器提供的AC100V电源经整流的直流电源在高爆开关内可通过高压开关内安装的调压整流切换模块实现自动切换。其原理是：当高爆开关外部的隔爆型锂离子蓄电池电源需要停电检修时，可以自动切换到由高爆开关内部高压互感器输出交流电源供电。该电源经过调压、整流、滤波后输出的是DC110±5V的直流电源。即使在隔爆型锂离子蓄电池电源出现故障需要检修时，也不用开启高爆开关防爆门，造成高压线路停电。当检修完成，隔爆型锂离子蓄电池电源恢复供电后，保护装置电源自动切换到隔爆型锂离子蓄电池电源供电。通过井下现场测试，高爆开关内安装的调压整流切换模块的两路电源切换时间在10～15ms之间，不会造成保护装置掉电重启。

（3）矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源输出AC127V电源工作原理。DXJL6600隔爆型锂离子蓄电池电源，交流AC127V后备电源的输出采用电力专用逆变器来实现。电源中逆变器通过RS485或CAN的通信方式与BMS锂离子蓄电池管理系统通讯，可以实时将逆变器的工作状态和故障信息传输给BMS锂离子蓄电池管理系统，并通过BMS锂离子蓄电池管理系统上传给地面调度中心。逆变器的数量和工作模式可以设定。逆变器设置为：数量2台，连接方式：串联，一主一备工作模式。第一台逆变器“逆变”优先，第二台逆变器“旁路”优先。考虑到不同的输送距离和线路压降，其输出电压可以在AC127～135V之间设定。

2.2 直流一体化电源实施方案

（1）将高爆开关中电压互感器输出的AC100V交流电源经过调压整流切换模块处理后得到的较稳定的直流电源来作为高爆开关中保护装置的备用电源。采用两路直流电源作为控制和保护电源。它的优点是可靠，故障率低，两路直流电源切换中没有相位要求，即使并联在一起也不会造成短路故障。

（2）DXJL6600隔爆型锂离子蓄电池电源由变电所本室变压器提供交流电源AC660V。输出的直流电源供变电所线路上的高爆开关使用，输出的交流电源供安全监测监控、电力监测监控、应急照明、网络视频等设备使用。

（3）隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源可以提供不大于19路的交直流电源的输出回路。其中直流输出15路，交流输出4路。如果直流输出回路数量不能满足变电硐室高爆开关的需要，可以采用隔爆型电缆分支盒（三通或四通）进行扩展。直流DC110V和交流AC127V输出，每路输出均采用快速熔断器作为过流保护元件。通常，输出的各路电源，采用放射性供电方式直接接入每台用电设备，对于本方案，考虑到节约投资，我们将备用高爆开关同相邻高爆开关共用1路输出。

2.3 直流电源后备时间计算

（1）假设全变电所有14台高爆开关，单台高爆开关保护装置常态功耗≤20W，总功耗280W。

（2）交流AC127V总负载按900W考虑。

（3）锂离子蓄电池电源自身消耗及线路损耗，按150W计算（包括线损、逆变器损耗，逆变器效率大于90%），上述3项相加，在井下变电所交流电源停电时，蓄电池需要输出的总能耗：280+900+150=1330（W）。

（4） 因 此，DXJL6600隔 爆 兼 本 安 型锂离子蓄电池电源可以达到的后备时间为：6600W·h÷1330W=4.96h。即使五年后锂离子蓄电池容量下降到80%时，还能达到约3.96h的后备时间。

2.4 高爆开关失压延时整定

高爆开关控制和保护电源采用直流一体化电源独立供电，当系统电压下降时，通过调整变电所总开关和分开关的失压延时，形成级差，可使分开关先跳闸，从而避免越级跳闸。

2.5 在井下监测监控系统使用的优点和缺点

（1）照明、监控、通信等没有或只有分散的小容量后备电源，且后备电源不能集中管理。由于老的后备电源自身没有蓄电池管理系统，使用一段时间后，运行维护人员无法判断后备电源的工作状态，当真正需要后备电源的时候，才会发现后备电源无法使用或达不到使用要求，无法满足新国标AQ6201《煤矿安全监控系统通用技术要求》的要求。

（2）照明电源不具备后备电源功能，在井下停电时无法提供应急照明。

（3）网络视频监控的电源不具备后备电源功能，在井下停电时无法提供实时视频影像传输。

（4）DXJL6600隔爆型锂离子蓄电池电源输出的交流电源可以替代原有ZBZ-4.0M和BXZ-4.0M输出的AC127V。主要的区别在于：该电源具有较长后备时间，将其输出的AC127V输入到各分站电源时，无论原有分站电源的后备时间多长，都可以做为各分站电源的补充，逆变器由于经过逆变处理后输出的AC127V电源，电压稳定，干扰小，相比较于ZBZ-4.0M和BXZ-4.0M，一体化电源具有占地面积小，接线方便、易于管理的优点。

3 结论

直流电源系统实现直流电源运行数据实时向地面调度中心传输，同时提供多个电压等级的交流或直流后备电源。矿用隔爆型一体化电源系统，实现了煤矿井下控制和保护电源和后备电源向隔爆型、大容量、高安全性、高可靠性的飞跃，为井下供电、监测监控的智能化、网络化发展提供了电源保障，是未来井下电源技术发展的方向。