矿井主要通风机高压双电源自动快速切换装置的研究应用

矿井主要通风机高压双电源自动快速切换装置的研究应用

李民中

（中国平煤神马集团控股有限公司五矿 河南省平顶山 467000）

摘要：本文阐述了实施主要通风机高压双电源快速切换的必要性，介绍了双电源快速切换的原理和实施方案，通过在矿井现场的试验和运行，提高了矿井通风系统安全可靠性。

关键词：主要通风机  双回路电源  快速切换

1. 引言

《煤矿安全规程》规定，煤矿必须安装2套同等能力的主要通风机装置，其中1套备用，备用通风机必须能在10分钟内开动。据不完全统计，造成矿井停风事故的大部分原因是由于外部电源失电引起的。大多数煤矿对于主要通风机电源的切换都是靠人工完成的，在突发外部电源异常失电情况下，操作人员若发现不及时或者情绪慌乱，在切换时间上可能会滞后，甚至可能因操作不当，引起更大的事故发生。

目前，对一般工业企业而言，备自投装置已经可以满足要求，而在煤矿等要求连续供电的安全设备，备自投的使用效果并不理想。原因是备自投完成动作的过程持续时间长达1～2秒，甚至更长，直接影响运行的连续性。而且恢复供电将产生较大的自起动电流，对供电网络产生冲击。

2. 双电源快速切换原理

    对于电动机负荷的母线来讲，当母线失电时，电动机仍与母线侧相连，由于电动机电感能量的转移，其机端电压仍然存在，被称为残压。残压的衰减程度与母线的负载特性有关。由于残余电压的存在，如果进线开关断开后，母联很快合闸，很可能会出现很大的合闸冲击电流。冲击电流的大小与合闸瞬间电压大小和相位相关，过大的冲击电流会给电机或电源造成故障或合闸失败。

2.1 快速切换过程中测电动机残压分析

电动机切换电路的等值模型如图一所示。图中各变量的物理意义： 为 电源电压； 为母线上电动机的残压；为电源等值电抗；为母线上电动机和低压负载的等值电抗；为电源电压和残压之间的差拍电压。

                           （a）等值电路                            （b）向量图

图一  电动机切换电路的等值模型

   由图一可以看出，电源电压和电动机残压二者之间的夹角不同，对应不同的值，如，最大，如果此时合上电源，对电动机的冲击最严重。

根据母线上电动机的残压特性和电动机耐受电流的能力，在极坐标上可绘出母线残压向量轨迹，如图二所示。

图二  母线残压向量轨迹

2.2 切换类型分析

2.2.1 快速切换

在图二中，假定正常运行时1#进线电源和2#进线电源同相，其电压向量端点为A，则1#母线失电后残压向量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如果在A-B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”，这也是双电源切换中最理想的切换方式。

在实际工程应用中，是否能实现快速切换，主要取决于工作电源与备用电源间的固有初始相位差、快切装置起动方式、备用开关的固有合闸时间以及母线段当时的负载情况等。

2.2.2 同期捕捉切换

在图二中，当度过B点后B-C段为不安全区域，则需等待达到C 点之后的安全区域。此刻根据实时的频差和相差变化，捕捉反馈电压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就是同期捕捉切换。

在实际工程应用时，可以做到在零点附近很小的范围内切换，如。一般同期捕捉切换时母线电压为65%-75%额定电压，电动机转速不至于下降很大，通常仍能顺利自起动。另外，由于两电压同相，备用电源合上时冲击电流较小，不会对设备及系统造成危害。

2.2.3 残压切换

若当母线电压（残压）下降至 20％～40％额定电压时实现的切换称为“残压切换”，该切换可作为快速切换及同期捕捉切换的后备，以提高电源切换的成功率。

2.2.4 长延时切换

    特别情况下，母线上的残压有可能不易衰减，此时如残压定值设置不当，可能会推迟或不再进行合闸操作。因此在该装置中另需设长延时切换功能，作为以上三种切换的总后备。

3. 矿井主通风机双电源快速切换实施方案

矿井主通风机双电源快速切换拟实施方案如图三所示。

 图三  矿井主通风机双电源快切系统示意图

图三中，在原有高压系统基础上增加两台PT柜，安装在进线断路器前端，用于进线电压有无的判断、相位检测和频率检测。快切装置和断路器之间的联络信号有：合闸指令、分闸指令、开关状态等。

3.1 快切装置硬件结构

快切装置采用双CPU+CPLD结构，如图四所示。

图中，CPU1是装置的主要核心，监测模拟量信号和开关量信号，在切换过程中记录切换数据，其高速输入HSI的分辨率为1.33s，数据处理能力强大，使相差、频差的跟踪计算快速准确，完全满足厂用电同期检定和快速切换的要求。CPLD模块完成切换逻辑功能，切换时CPU1提供切换同期切换允许信号。CPU2完成人机对话处理及显示功能，CPU1和CPU2之间通过I2C总线方式联络，CPU1在空闲时向CPU2传送显示数据。双CPU同时工作，可以保证立即响应外部信号，可靠进行切换和故障处理，实现切换的零等待。在同期条件满足的情况下，保护切换跳工作响应时间小于3ms，合备用切换响应时间小于10ms。

              图四 快切装置硬件结构示意图

3.2 快切装置功能

该装置可以实现故障切换、同期捕捉及慢速切换和长延时切换。故障切换是指由于工作电源故障而引起的切换，它是单向的，只能由工作电源切至备用电源。长延时切换是其它切换方式的后备补充。

4. 现场应用情况

  河南平宝煤业有限公司属于煤与瓦斯突出矿井，矿井供电电源来自许昌市襄城县两个变电站，属农业和工业园区共用电网，可靠性较低，以前高压电网波动或停电现象时有发生，给矿井通风带来很大风险。该矿2018年与中国矿业大学合作研究实施了主要通风机高压双电源快速切换装置，通过工业性试验和现场投入运行4年来的情况看，双电源快速切换系统切换成功率较高，没有再出现因上级电源故障引起的双风机停风现象，大大提高了矿井通风系统的安全。

参考文献：

[1]付英杰, 梁志珊, 夏鹏程. 双电源快速切换装置相位差整定仿真分析[J]. 电气应用, 2013(7):6.