电源快速切换装置在矿井主通风供电系统的应用

 1 古书院矿主通风机供电系统的现状
1.1 应用前现状 煤矿供电系统是保证矿井安全生产的前提。主通风机作为矿井一级负荷，直接关系井下人身安全。目前古书院矿东、西风井主通风机房的供电进线均采用双回路输电线路供电，单母线分段的运行方式。其接线图可简化如图1所示。
1.2 现状分析 系统正常运行时，基本有三种工况：一、分列运行，进线1和进线2各带一段母线，互为备用；二、进线1带两段母线，进线2热备用；三、进线2带两段母线，进线1热备用。主要负荷为异步电动机。若发生矿井无计划停电事故，采用人工恢复送电，存在以下问题：①切换时间长；②个别局面就可能出现瓦斯超限；③如果为母线永久性故障，会扩大事故范围。因此矿井主通风机供电系统发生故障时，快速恢复是非常重要的，为此引进电源快速切换装置，将故障快速定位、自动隔离、快速切换，实现“风机不停、瓦斯不超限”目的。
2 供电系统负荷情况
2.1 东、西风井风机房6KV供电系统 ①电动机容
量：2×630KW异步电动机（东风井）；2×1120KW异步电动机（西风井）。②正常运行时一台电动机运行。
2.2 保护配置情况 线路保护：保护配置为两段过电流保护，无复压闭锁，无方向闭锁。
3 技术依据
3.1 快速切换、同期捕捉和残压切换
当进线1或进线2发生故障时，保护动作，跳开1DL或2DL后母线1或母线2失电，电动机将惰行。图2给出了母线残压和备用电源电压角差变化和残压幅值衰减示意图，当失电刚发生时，通过控制合闸时的频差和相角差，可以使得电动机绕组承受的冲击电压小于电动机的允许起动电压，从而既实现了快速合上备用电源，又避免了对电网和设备的强烈冲击，这就是所谓的“快速切换”，适合快速切换的时机在图中以区域1表示。在区域2，残压与备用电源电压处于第一次相位重合点附近，如果能在此时合闸，则对电动机的冲击也不大，电动机将很快进入稳定点，转入正常运行，这就是所谓的“同期捕捉”。理论分析和长期的应用实践表明，只要误差小于一定范围，如合闸角控制在±5°，就能使电动机受到的冲击较小，满足实用要求。区域3则属于电压接近无压的区域，此时合闸（残压切换的定值一般为25-40%）对电动机的冲击已不大。
3.2 各种情况下快切装置启动判据
①频压异常启动。该判据用于开关跳开，脱网造成的功率缺额将使母线电压和频率逐步下降，当频率和电压偏离正常值一定程度时，表明母线已经脱离外电网运行，快切装置启动。
A、最小电压Umin>30V；
B、备用电源df=|f-50Hz|<0.2Hz；
C、母线三相电压频率dfa<10Hz，dfb<10Hz，dfc<10Hz；
D、进线最大电流值Imax<1.2In。
以上判据同时成立经延时快切装置启动。
②无流启动。该判据用来解决进线电源对侧开关跳开时快切的启动问题。
A、Imax （进线最大电流值）B、Fm（故障母线频率）以上判据同时成立经延时快切装置启动。
③开关变位启动。开关变位起动用来解决本侧开关偷跳问题。
进线开关跳开，同时满足Imax（进线最大电流值）< Iwl（无流定值）时快切装置启动。
④低电压判据。该判据属于后备判据，当以上判据均不起作用时，起到类似于备自投的作用。
A、UmaUma、Umb、Umc：母线三相电压；Usyqd：失压启动电压幅值；
B、 Imax （进线最大电流值）以上判据同时成立后经延时快切装置启动。
4 实施详细方案分解
古书院矿实施的地点为东风井风机房、西风井风机房。两个供电系统电源分别来自古书院35KV变电站、西风井35KV变电站。
4.1 基本运行方式。目前供电系统正常运行方式为，单母分段大分裂运行方式，进线来自上一级35KV变电站6KV间隔。运行时，供电系统主扇I回601、主扇II回602运行，母联开关600热备。当进线任一线路检修或故障时，运行方式可改变为由一条进线带两段母线运行。风机房供电系统的一次主接线图简化如下：
4.2 装置配置。本方案采用MFC510X系列工业企业电源快速切换装置（以下简称快切装置），实现在工作电源故障时，迅速将工作电源切除，投入备用电源，既保证生产负荷的不间断运行，又不对负荷造成冲击。配置方案采用组屏集中布置，配置如下：1）MFC5103A工业企业电源快速切换装置：用于工作电源与备用电源之间的电源切换；2）iPACS-5711线路保护测控装置：用于工作母线及以下设备发生故障时快切装置闭锁的信号来源；3）iPACS-5791远动通讯管理装置：用于快切装置及保护装置信息上传。
4.3 切换方式。装置自适应各种运行方式，无需针对各种运行方式进行相关设定，两个风机房均改造安装有进线PT，可以实现各种方式的快速切换。切换过程分解如下：①大分裂运行方式——故障情况下的切换方式只用串联切换。如当主扇II回602（主扇I回601）故障，快切装置先跳开主扇II回602（主扇I回601）开关，通过装置接入的主扇II回602（主扇I回601）开关辅助接点判断其是否真的跳开，在确认跳开后再根据条件合母联开关。②进线一用一备方式——故障情况下的切换方式只用串联切换。如当工作进线主扇I回（主扇II回）故障时，快切装置先跳开工作进线主扇I回（主扇II回），通过装置接入的主扇I回（主扇II回）开关辅助接点判断其是否真的跳开，在确认跳开后再根据条件合另一进线主扇II回（主扇I回）开关。③正常倒闸可使用并联切换。如在目前运行方式下需要检修主扇II回602（主扇I回601），那么装置在人工起动后，先合上母联开关600，确认合上后，再经过设定延时跳开主扇II回602（主扇I回601）开关，两段母线电压无任何波动。
4.4 快切装置的闭锁。①各6KV风机房两条进线分别配置有线路保护测控装置，利用线路保护测控装置的方向过流保护动作出口作为快切装置的闭锁条件。②装置内部本身硬件故障将自动闭锁装置。
5 东风井实际运行切换试验（711、701为进线开关、710为母联开关）
6 应用运行情况
通过对6KV风机房供电系统加设快切装置，保障了线路故障时快速合上分段开关，实现“零停电”，从而保障煤矿生产连续运行，平稳运行至今。