直流控制電源在煤礦井下高壓開關柜中的應用

程應順 王 濤 王 博

（山東能源棗礦集團供電工程處，山東省棗莊市，277011）

直流控制電源在煤礦井下高壓開關柜中的應用

程應順 王 濤 王 博

（山東能源棗礦集團供電工程處，山東省棗莊市，277011）

介紹了煤礦井下高壓開關柜供電系統(tǒng)中常見的交流控制電源方案，分析了交流控制電源的缺點，說明直流電源替代交流控制電源的必要性，介紹了直流控制電源應用方案優(yōu)點。

高壓開關柜 交流控制電源 直流控制電源

1　煤礦井下高壓開關柜控制電源常用方案

目前，礦用一般型高壓開關柜廣泛應用于煤礦井下無瓦斯煤塵的總進風巷的配電硐室及井底車場，在電壓7.2 k V或12 k V、額定頻率為50 Hz的三相交流高壓供電系統(tǒng)中用于接受和分配電能。高壓開關柜的控制和操作電源一般設計為AC220V交流電源。在方案設計時，控制電源取自進線柜的控制變壓器，再接入UPS不間斷電源，經(jīng)過UPS整流和逆變輸出AC220V電壓接入控制母線，實現(xiàn)對高壓開關柜的控制和操作。由于井下供電一般是雙路進線供電、單母線分段的運行方式，因此設計時兩臺進線柜都裝設控制變壓器和UPS。其運行方式如圖1所示。

但是，經(jīng)過近幾年井下變電所高壓開關柜的運行，出現(xiàn)了很多因控制電源故障引起的開關跳閘事件，影響了井下供電的可靠性，給煤礦井下生產(chǎn)造成了經(jīng)濟損失和安全事故。為了找到更可靠的控制電源設計方案，在做了大量認真細致的技術工作后，通過分析和研究發(fā)現(xiàn)，將直流電源作為開關柜的控制電源可以滿足礦用一般型高壓開關柜的各項功能要求。

2　交流控制電源供電改為直流控制電源的必要性

（1）采用交流控制電源供電正常運行時，兩段控制電源獨立運行（見圖1），通過1#UPS和2#UPS分別為I段和II段開關柜提供220V交流電源（即AC220V）控制和操作電源。當TC1出現(xiàn)故障時，I段控制電源可通過1#UPS的電池通過逆變單元繼續(xù)向負載供電，當電池或逆變器損壞時，1#UPS就會停止向負載供電。由于UPS內(nèi)部的逆變器輸出電壓存在著波形、相位、頻率等方面的差異，使得逆變器的輸出端不能與其他電源（包括其他逆變電源）并聯(lián)，即在2K開關斷開之前，聯(lián)絡開關5K不能合閘，否則將使事故進一步擴大。此時，如要恢復負載的供電，必須先斷開2K開關，再投入5K開關，才能使負載實現(xiàn)接入備用電源的操作。UPS不間斷電源不能自動地、不間斷地從一個電源切換到另一個電源上，使UPS不間斷電源做不到真正意義的不間斷供電，不能滿足特殊負載對供電高可靠性的要求。

圖1　常用交流電源控制

（2）直流電源不存在波形、相位、頻率的差異。兩個直流電源通過二極管隔離后，就可以直接并聯(lián)，共同向負載供電。直流電源控制回路如圖2所示。圖2中，直流電源控制回路中，兩段控制母線可獨立運行，也可直接投入5K開關使兩段控制電源并聯(lián)運行。在并聯(lián)運行時，無論哪個電源（無論是直流電或交流電）供電中斷或故障，另一個電源均會自動地、無間斷地、相對獨立地向用電負載供電。用電負載由于由兩個相對獨立的電源同時地、互為備用地供電，使用電負載獲得了真正意義的不間斷電源，從而進一步提高了供電的可靠性，減少因系統(tǒng)失電造成的經(jīng)濟損失。

圖2　直流電源控制回路

（3）交流UPS不間斷電源與直流電源相比，增加了一個逆變環(huán)節(jié)。逆變器的電路結構要比整流器復雜數(shù)倍以上。同時，逆變功率元件（大功率三極管）工作在開關狀態(tài)，要承受換流時的過電壓和功率損耗。盡管逆變器用功率元件的反向耐電壓要比直流電源功率元件高數(shù)倍，其他元器件的選擇也要比直流電源嚴格得多，UPS不間斷電源總成本是同等容量直流電流的數(shù)倍以上。

綜合上述原因，UPS不間斷電源的安全可靠系數(shù)遠不及直流電源。

3　直流控制電源應用方案優(yōu)點

（1）在礦用一般型高壓開關柜中，微機保護裝置、儀表和真空斷路器都可（2）直流分布電源的選擇可根據(jù)供電系統(tǒng)中的開關柜數(shù)量的多少，每段供電母線裝設1個或幾個分布式直流電源裝置，該裝置最大輸出功率500 W，體積小，直接裝在開關柜面板上。配套的蓄電池根據(jù)備用時間一般選擇24～40 Ah，可裝于開關柜柜內(nèi)（斷路器室下部的空室內(nèi)）。每個裝置的直流輸出接到該段直流控制母線上，為保護裝置和斷路器提供電源。該方案即經(jīng)濟可靠又節(jié)省空間，且維護方便。目前，該方案已在柴里煤礦某井下變電所投入使用，現(xiàn)正可靠運行。

使用直流控制電源工作。在選擇直流電源時，可選擇直流屏、壁掛式直流電源或分布式直流電源。直流屏和壁掛式直流電源必須辦理礦用證才能在井下使用，而分布式直流電源體積小，可裝在礦用一般型開關柜內(nèi)，與開關柜成套使用。

（3）在煤礦井下供電系統(tǒng)的高壓開關柜中，用直流控制電源代替交流控制電源能極大地提高開關柜控制系統(tǒng)用電的可靠性，減少因控制電源故障造成的經(jīng)濟損失和安全事故。同時，在開關柜中采用分布式直流控制電源不僅成本低而且維修方便。因此，在煤礦井下高壓開關柜中使用直流控制電源代替交流電源，不僅提高了煤礦井下供電的安全系數(shù)，也給煤礦井下安全可靠供電創(chuàng)造極大的經(jīng)濟效益。

［1］ 翟佑華.直流電源代替UPS電源的優(yōu)點和方法［J］.電工技術，2001（12）

［2］ 張恩鋒，張浩.高壓STATCOM無功補償與諧波治理裝置在礦井變電所的應用［J］.中國煤炭，2012（5）

［3］ 張恩鋒.基于GPRS的電力鐵塔智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.中國煤炭，2011（5）

（責任編輯 熊志軍）

Application of direct current control power for high voltage switch cabinet in the underground coal mine

Cheng Yingshun，Wang Tao，Wang Bo
（The Power Supply Engineering Department of Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co.，Ltd.，Zaozhuang，Shandong 277011，China）

This paper introduces the scheme of alternating control power for high voltage switch power system in the underground coal mine，analyzing the disadvantages of existing scheme and illustrating the necessity of replacing alternating current power with direct current power，and then describes the advantage of replacing alternating current power with direct current power.

high voltage switch cabinet，alternating current control power，direct current control power

★ 煤炭科技·加工轉化★

TD611

A

程應順（1977-），男，工程師，現(xiàn)在棗礦集團供電工程處從事電器成套設計研發(fā)工作。