摘要：煤矿井下变电所是保障煤矿生产的重要设施，随着井下智能化水平的逐渐提高，煤矿井下对安全监测、人员定位 、应急广播、继电保护、电力监控、视频监控、一网一站的综合分站及其交换机等各种系统，为了保障各系统的安全可靠运行需要统一信息系统的供电设计。如何采用一套煤矿直流大电源来保障数字矿山，乃至未来的智慧矿山信息系统用电安全可靠性，这也是未来矿山的必然发展趋势。
关键词：井下变电所；直流大电源；数字矿山；智慧矿山
1引言
煤炭行业发展到今天，信息与自动化系统已经融入到矿井的各个方面。国家2015年提出了“机械化换人，自动化减人”的方案，又借鉴德国制造工业4.0，提出了“中国制造2025”的发展思路，神华集团提出的数字矿山发展规划，神东煤炭集团的井下无人则安的理论，无不体现着两化融合技术在煤炭行业的渗透和应用。
神东煤炭集团作为全世界首个两亿吨矿区，通过建设上湾煤矿一网一站、石圪台煤矿自动割煤工作面、锦界煤矿数字矿山、四矿五井区域自动化（PSI）、上湾煤矿8.8m智能采煤工作面等项目，在煤矿智能矿山的建设方面积累了宝贵的经验。通过一系列的大胆尝试，神东煤炭在企业减人增效，提高企业自动化水平，减少井下作业人员数量方面做出了积极的探索。2016年，国家对《煤矿安全规程》和《煤炭工业矿井设计规范》进行了大规模修订，其中对信息与自动化系统的井下供电安全提出了新的要求。详细规定如下：
（1）矿井安全监控系统中的井下分站或干线扩展器等设备要求应配备不少于2h的在线式不间断电源；（《煤炭工业矿井设计规范》（GB50215-2015）第13.2.9条）
（2）矿井井下人员作业管理系统中的井下人员位置检测分站应配备不少于2h的在线式不间断电源；（《煤炭工业矿井设计规范》（GB50215-2015）第13.2.19条）
（3）矿井视频监控系统中的井下重要地点摄像机，矿井视频监控系统中的井下重要地点应配备不少于2h的在线式不间断电源。（《煤炭工业矿井设计规范》（GB50215-2015）第13.2.25条）
综上所述，如何提高煤炭企业数字矿山，乃至智慧矿山项目的智能化系统供电可靠性问题，成为了摆在建设者面前的一个难题，需要在今后煤矿的供配电系统设计中加以重视，进行合理的规划设计，统筹考虑。
2 存在问题
（1）神东矿区井下变电所PLC控制系统和电力监控系统，均由变电所进线电缆侧安装的10/0.22kV单相变压器提供电源，虽然提高了供电的可靠性（进线电缆带电，则后台既可显示变电所设备状态），但存在电气检修方面的安全隐患，近年来多次发生由于电工不熟悉供电系统接线方式造成的触电伤人事故。
图1 煤矿井下变电所控制电源
表1： 井下主变电所控制电源
其中AC220V主要是为西安华光PLC柜提供电源，该电源由进线测的KBC-3KVA/10/0.22kV控制变压器提供。受空间限制，该控制变压器一般安装在母线PT柜内
（2）矿用高压隔爆柜的断路器操作电源，采用交流220V控制，控制电源取自一次主回路PT电压互感器，系统断电后永磁断路器储能电容可保证分合闸一次。
图2 现有控制电源回路双电源切换装置
（3）由于各矿井安全监测监控、人员定位、小灵通、无线通信、视频监控、一网一站、数字化矿山和电力监控系统各自都配置了自己的隔爆不间断电源UPS，输出电压等级不统一电压等级多，无直流监控系统，电池长期处在浮冲状态，寿命短，维护费用高。例如：上湾四盘区12煤采区变电所，无锡军工提供的电力监控系统UPS控制电源，输入/输出电压为AC220；而上湾煤矿安装的一网一站系统，UPS控制电源输出为127V。导致一个变电所配置了两种不通用的UPS后备电源。详见表2。
表2： 井下现有控制电源电压等级
（4）对视频监控系统所指的重要地点，结合《煤炭工业矿井设计规范》可以理解为：井下主要排水泵房、井下中央变电所、井底车场、采区变电所、水泵房、带式输送机集中控制硐室等主要机电设备硐室，避难硐室，瓦斯抽采泵房、爆炸品库等场所。而现有的上述场所的摄像头大多为交流127V供电，没有配置后备电源。
3.原有技术方案的缺陷
（1）为了解决之前国内高爆柜控制和保护电源全部都取至柜内电压互感器的问题，原有设计在Ⅰ、Ⅱ段10KV高压配电系统的2台PT柜内，各安装了1台容量为3KVA/10-0.22 KV的电源变压器，互为备用，提供AC220V控制和保护电源。同时，采用了1台DXBL3072/48X电池箱和1台电气控制箱作为停电后的备用电源。其实质是，在绝大多数运行时段，控制和保护电源还是类似于取至柜内电压互感器，并没有独立于高压系统之外，控制和保护电源与系统同源的。
（2）当前，煤矿井下变频器的普遍使用，在供电线路中会产生大量谐波，而普通电源变压器自身没有隔离谐波的能力。当变压器输出的220V电源直接接入高爆柜智能保护器等关键设备时，多种谐波电流能够串入到用电设备电源端，导致用电设备受到谐波干扰。
（3）从原“电控箱和电池箱系统框图”可知，当高压线路停电时，电池箱和电控箱能够将蓄电池释放的直流电流，通过逆变器模块（DC/AC）的逆变，输出220V的逆变电源（交流）。该逆变电源与前述PT柜中电源变压器输出的220V交流电源是通过“切换继电器”来实现输出切换的（相当于逆变输出和旁路输出的切换）。采用此“切换继电器”模式，在“切换继电器”主触头出现不同步、烧蚀或粘连时，有可能将逆变模块输出的220V逆变电源，经过电源变压器反送至10KV母线，存在极大的安全隐患。
此外，当高压线路有电时，若该“切换继电器”出现触头不同步、粘连故障，还可能导致电源变压器输出的电源和逆变电源两个不同相位的交流电源并接在一起，引发短路故障。
（4）原“电控箱和电池箱系统框图”中，安装在电气控制箱中的DC/AC逆变模块为单台，无备用。且此类逆变模块为非电力专用逆变器，不具备锁相、锁频、自带旁路及旁路监测、可控硅继电器双切换等功能。此外，该逆变模块不具备通信功能，运行数据和故障信息不能实时上传给调度中心，在逆变模块出现故障时不能迅速反馈，故障隐患不能得到及时处理，可靠性差。
（5）原有电池箱DXBL3072/48X的能量较小，且电气控制箱输出的220V交流电源需要通过蓄电池放电，并经过逆变模块（DC/AC）逆变处理。逆变器自身存在损耗，若逆变器效率按90%计算，加上输电线路损耗，电池箱实际能够输出的能量小于2700Wh。按补连塔22煤四盘区变电所的用电负荷计算，在高压线路停电，变电所所有关键设备保持运行时，电池箱的后备时间小于2小时，不能满足最新的国家标准AQ6201《煤矿安全系统通用技术要求》关于后备电源延时3小时以上的要求。
（6）在高压线路停电时，高爆柜所需的交流控制和保护电源是通过蓄电池放电→逆变器逆变→切换继电器→智能保护器等电路来提供的，当逆变模块或切换继电器故障时，控制和保护电源将无法正常输出，没有采用直流电源，即蓄电池放电→智能保护器直接供电可靠。
4 解决方案
为了提高煤矿井下供电的安全性和可靠性，满足今后井下供电智能化、网络化发展的需要，解决当前采用交流电源作为井下变电硐室高爆柜控制和保护电源的问题，提出采用直流电源作为高爆柜控制和保护电源的技术升级方案。
参考国家电网公司的电力系统，采用同井上变电所直流控制和保护电源技术一致的隔爆型直流电源系统。针对变电所内安全监测监控设备，网络交换设备、电力监测中心及其他自动化设备的后备电源进行技术升级，满足最新的国家标准AQ6201《煤矿安全系统通用技术要求》关于后备电源延时3小时以上的要求。
实现井下高爆柜控制和保护电源的技术升级，切实提高井下供电运行的安全性和可靠性，彻底解决当前采用交流控制和保护电源的诸多缺陷和弊端。
5、电源改造方案
（1）按照系统图所示，补连塔矿22煤四盘区变电所共有四段10KV母线，32台高爆柜。初步设计方案拟采用一台DXJL6600/110J（A）矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源<以下简称：DXJL6600> 作为主供电源，采用一台KXBK1140馈电控制箱<以下简称：KXBK1140>作为输出回路的扩展。满足22煤四盘区变电所需要接入不少于38路交直流电源的要求。
（2）直流电源的输出共计32路3A（熔芯），放射性供电，为32台高爆柜提供控制和保护电源。由于每台智能保护器的功耗小于20W，32台高爆柜经常性负载小于32×20W=640W，直流电源输出总电流小于6A。
（3）AC130V交流电源输出共计6路3~5A（熔芯），放射性供电，为变电所瓦斯监测分站、网络交换设备、电力监测中心及门禁系统提供后备电源。按照设备功耗计算，全变电所使用AC127V设备的总功耗不大于600W。
（4）22煤四盘区变电所经常性负载为640W+600=1240W，考虑到逆变电源装置的自身损耗和线路损耗，22煤四盘区总的用电负荷1240W×1.1=1360W。将锂离子蓄电池电源的总能量6600Wh/1360W=4.85h，即后备时间大于4.5小时。
考虑到蓄电池能量在使用中会逐年下降，当5年之后，蓄电池能量还剩余70%，即6600Wh×0.7=4620Wh时，后备时间为：4620Wh/1360W=3.35h，后备时间依然大于3小时。
（5）新方案简化了补连塔22煤四盘区变电所二次系统电源接线，提高了系统运行的安全性和可靠性。为此，建议去掉DXBL3072/48X电池箱和电气控制箱、PT柜中原有的两台电源变压器、省掉部分照明综保装置。
（6）为了适应煤矿井下变电所的运行模式和使用环境，考虑到煤矿井下高爆柜等连续供电的重要性，设计中增加了“采用两路直流电源作为高爆柜控制和保护电源”的方案。
通过采用TZQ调压整流切换模块将高爆柜中电压互感器PT输出的AC100交流电源转换为DC100V±5%的直流电源，作为DXJL电源箱引入的DC110V直流电源的备用电源。其目的在于：当DXJL电源箱需要停电检修时，可以自动切换到由电压互感器经TZQ模块提供临时的直流控制和保护电源，从而保证了高爆柜智能保护器的不间断工作。
图3 隔爆开关柜二次原理接线图
实际运用中，TZQ模块输出的直流电源电压较DXJL电源箱提供的直流电源的电压低5V左右。依照直流电流由高电位流向低电位的原理，电源箱提供的DC110V为主供电源。当DXJL电源箱输出的DC110V停电时，“零”秒切换至TZQ模块输出的直流电源供电。检修完毕，DXJL电源箱恢复供电后，仍为主供电源。
二极管D1、D2为防倒灌二极管，反向耐压值DC1000V，允许最大通过电流10A。
6、新技术方案的优点
（1）采用6600Wh大能量锂离子蓄电池电源，能量是原有电池箱能量的一倍以上。本电源系统可以同时输出DC110V和AC130V交直流电源。按补连塔22煤四盘区的所有关键设备的负荷计算（1360W），其后备时间达4.5小时以上。即使蓄电池能量下降到70%，其后备时间也不少于3小时；
（2）所提供的直流电源完全同高压系统隔离，运行时不受高压系统影响，安全性、可靠性高。
（3）不存在将直流控制和保护电源通过其他设备反送10KV高压线路的可能。
（4）电源箱和馈电箱组合后可以提供不小于40路的输出，能够满足较大规模变电所的需求。同时，采用放射性供电模式，各高爆柜控制和保护电源相对独立，运行可靠性高，查找故障方便快捷。
（5）在高压线路供电正常时，电源箱输出的直流电源由整流模块输出，输出的直流电源纹波系数小，输出电压恒定无波动。同时，整流模块按照1×20A+1×20冗余备用的运行方式配置，额定直流输出电流20A，可接入负载不小于2200W。即使一台整流模块出现故障时，也不会影响到电源箱直流电源的输出。
当高压线路停电，整流模块停止工作时，整流模块输出的直流电源“零”秒切换到蓄电池输出，并按照蓄电池→智能保护器的路径直接供电，不会造成高爆柜智能保护器等设备的短暂失电，不会出现因逆变器电路故障，不能持续供电的问题。
（6）考虑到井下变电所安全监测等设备对于长延时后备电源的需求，设计方案中在馈电箱内安装有2台2KVA电力专用逆变器，采用1+1冗余备用的运行方式，可以输出AC130V交流电源供需要AC127V的设备使用，并可以取代没有后备电源功能的照明综保等设备，直接给分站电源提供AC130V后备电源。这种方案实现了不改造分站电源，直接提供AC127V给分站电源作为后备电源的可能。
同过本次改造，现有变电所可减少的设备有：电源变压器、DXBL3072电源箱、电气控制箱、照明综保。需要增加的新设备DXJL6600锂离子蓄电池电源、KXBK1140馈电控制箱、TZQ调压切换模块等。
新方案在投资上较原方案有一定的增加，但在解决煤矿井下智能化系统供电安全可靠性方面有了大幅度提高，应为推荐方案。
7 结论
通过对煤矿井下智能化系统的供电方式进行合理的统一设计，可以有效的解决数字矿山、智能矿山乃至今后智慧矿山建设中存在的系统可靠性和安全性问题，为今后煤矿井下类似设计提供了一定的参考经验，希望在今后煤炭行业的相关设计中能得到推广应用。
参考文献：
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[3]江俊峰，直流电源在煤矿井下供电系统中的应用[J]，《山东煤炭科技》，2018，7（11）：154-155.
作者简介：
李山，山东省莱芜市人，2003年本科毕业于中国矿业大学电气工程与自动化专业，毕业后一直在神东煤炭集团设计公司（鄂尔多斯市神东工程设计有限公司）工作，长期从事煤矿供配电、输变电、信息系统设计与数字矿山、未来智慧矿山的研究工作。
论文作者:李山
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：电源论文; 井下论文; 变电所论文; 煤矿论文; 矿山论文; 模块论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第33期论文;