煤矿井下集中供电系统设计研究

　煤矿井下集中供电系统设计研究

　［摘要］针对煤矿井下安全监控、人员定位等系统采用分散式供电方式存在供电可靠性低、续航时间有限、抗干扰能力差等问题，设计了集中供电系统。该系统以智能化电源为基础，抗电磁干扰能力强，具有过流过压保护、电池智能充放电和电源管理信息等功能，以电池箱为后备电池对被供电系统不间断供电，被供电系统运行可在外接交流电无电的情况下持续工作，提高了供电的可靠性。

　［关键词］煤矿井下；冗余管理；集中供电；电池管理系统

　0 引言

　为提高矿山安全生产保障能力，国家强制要求全国煤矿及非煤矿矿山都必须建立和完善监测监控、人员定位、供水施救、压风自救、通讯联络、紧急避险等安全避险六大系统。“六大系统”设备布置比较分散，采用分散式供电模式，设备取电比较混乱，取自不同的馈电开关，无统一的规划，当外接电源发生故障后无法保证持续、可靠地为各个系统供电，影响煤矿安全生产。本文提出的集中供电系统可有效解决分散式供电的各种问题，可为煤矿井下各系统提供可靠、经济、安全的不间断供电。

　1 集中供电系统组成及工作原理

　集中供电管理系统所接交流电电压等级为 AC1140V 或者 AC660V，系统设备输出 AC127V、本安 DC24V、本安 18V 等。该系统由系统管理软件、电源主机、电池箱、隔爆兼本安电源等设备组成，可以根据现场实际需要实现各类被供电系统不间断供电时间的扩展，实现 1 台

　电源主机与多台电池箱配接。电池箱可以物理堆叠，灵活组合，系统连接框架如图 1 所示。正常工作时，AC660V/1140V 输入到电源主机，经过隔离工频变压器、双冗余逆变电路板和切换装置输出 AC127V 为隔爆兼本安电源、PLC、交换机等设备供电；同时 AC660V/1140V 输入到电池箱，经过隔离工频变压器、开关电源及电池充放电管理电路给电池充电。当外接交流电断电时，多组电池箱的直流输出电压经电源主机的逆变电路板输出 AC127V 给外接设备供电，保证各类系统设备的不间断供电，隔爆兼本安电源输出本安 18V 给各系统本安设备供电。

　1.1 电源主机

　电源主机为集中供电系统的重要组成设备，正常工作时，AC660V/1140V 输入到电源主机，经过隔离工频变压器、双冗余逆变电路板和切换装置输出 AC127V，2 路逆变电路输出经过 4 个交流接触器进行控制。电源主机运行原理如图 2 所示。电源主机与电池箱配接实现交流 AC127V 的输出；当外接交流电存在时，交流 AC127V 直接由电源主机输出，当外接交流电断开时，电池箱输出 DC24V 经电源主机逆变电路板输出 AC127V，保证电源主机持续不间断供电。电源主机内部逆变核心电路板采用模块化设计，满足冗余切换功能。当电路板出现故障时，可以进行自动切换工作，保证电源主机正常工作。电源主机液晶可显示负荷状态，交直流供电状态，输出电压信息和故障信息等状态。电源主机具有输出过流、短路保护功能，逆变电路板具有输入过压、欠压保护、过温保护功能，保证设备的可靠运行。

　1.2 电池箱

　 煤矿井下的交流电经保险管接隔离变压器的输入端，隔离变压器给 AC/DC 开关电源供电，开关电源输出稳定的直流电压经电池管理系统对备用蓄电池进行充放电管理，并给负载供电。当交流电不存在时，电池组给负载供电。电池箱具有液晶实时显示交直流供电状态、电池组电量、电池组总电压和总电流、单体电池电压、温度等指标功能。通过遥控器控制可以实现电池开盖断电的功能，具有 RS485 接口，把电池组的信息上传。电池箱后备电池选用 60Ah 的磷酸铁锂电池。该电池稳定性好，安全系数高［1］，在实际工作中使用电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）保护锂电池组［2］。电池组的充放电状态由 BMS 通过电池保护模块开启或关断，实现对电池组的维护，并通过微处理器采集电池组的各种参数，估算电池组的残余电量及剩余供电时间。当检测到单体电池电压过高时，BMS 开启平衡充电功能，平衡各单体电池电压。为保证电池箱具有完善的保护机制，电池箱内部采用分腔设计，磷酸铁锂电池组放置在独立的隔爆腔内，与其他电气元件分开。电池箱具有电池过充过放电压保护功能和输出短路保护、过温保护及残余电量估算等功能，有效地提高了设备的安全性。

　1.3 隔爆兼本安电源

　电源主机或电池箱经逆变电路板逆变输出 AC127V 给隔爆兼本安电源供电，该电源主要为井下 ib 等级本质安全设备供电，其电气部件主要由宽范围 AC/DC 开关电源、控制板、液晶屏、电源板、后备电池组组成。输入交流电压 AC127V 经保险管进入 AC/DC 开关电源输入

　端，输出稳定的直流电压，此直流电压一路经电池管理电路连接备用蓄电池；另一路经 AC/DC 电源模块和本安保护电路得到稳定的本质安全电源输出。液晶显示板可显示电源版本号、电池组温度、本安输出电源是否正常、电池状态信息、交直流供电状态信息，并将这些信息通过内部通信模块传输到控制板上，再经内部 RS485 通信方式电源信息的数据上传，接入到集中供电系统中，实现对电源信息的实时、不间断监测。

　2 集中供电系统实现的功能

　集中供电系统可有效弥补分散式模式的隔爆兼本安不间断电源的不足，具有如下优点：（1）集中供电系统的使用形成了数字化矿山稳定、可靠、经济的供电模式，具有不间断供电时间可扩展、输出标准、纯净正弦波等特点。（2）形成了统一的数字化矿山供电平台，提供标准的 RS485 接口及开放的 Modbus 协议，可实现被供电设备各类电气参数的数据上传，从而实现对井下供电网络的实时管理。（3）具有冗余管理功能，实现了系统级的关键技术和设备 1+1 冗余；通过科学分析井下不同设备的供电需求，对后备电池进行合理布局，可以发挥后备电池冗余系统的最大优势，使得井下供电设备系统实现连续供电。

　3 结语

　介绍的矿井集中供电系统，解决了分散式供电模式存在的问题，提高了被供电设备的稳定性和可靠性。目前该系统已投入煤矿井下使用，具有安全程度高、输出稳定等优点，可在煤矿井下及其它含有爆炸性混合物的环境中使用，具有良好的应用前景。

　 ［参考文献］

　［1］陈湘源.智能一体化后备电源研制［J］.工矿自动化，2016，42（11）：81-84．

　［2］芮骐骅，赵亮，王磊,等.矿用大容量磷酸铁锂电池管理系统设计［J］.工矿自动化，2014，40（2）：5-7.

　作者:陈佩佩 单位:天地(常州)自动化股份有限公司