煤矿安全监测监控技术4矿用电源

4 矿用电源及备用电源 电源是矿井监控系统（含甲烷断电仪、甲烷风电闭锁装置）的重要设备之一。矿用电源（指矿井监控系统电源、甲烷断电仪电源、甲烷风电闭锁电源，以下同）除向分站、传感器、声光报警器、断电器等提供本质安全防爆直流电源外，还必须保证井下交流电网停电后，维持系统正常工作时间不少于2小时。因此，矿井监控系统电源除将交流电转换成本质安全防爆直流电源外，还有备用电池。,4.1 矿用电源的特点及主要技术指标 由于煤矿井下具有甲烷等易燃、易爆性气体，硫化氢等腐蚀性气体，环境潮湿，有淋水，有矿尘，电网电压波动范围大（75%110%），空间狭小，工作场所分散。因此，矿井监控系统电源同一般直流电源相比具有如下特点：,1）本质安全型防爆输出。煤矿井下具有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体和煤尘，为防止电气设备的危险温度和电火花引起瓦斯和煤尘爆炸，用于煤矿井下爆炸性环境的电气设备必须是防爆型电气设备。由于本质安全型防爆电气设备具有体积小、重量轻、成本低，特别当电缆发生故障所产生的电火花，能量很低，不会引爆井下爆炸性气体混合物等优点。因此，矿井监控设备应优先采用本质安全型或本质安全型其他防爆型式的复合型。特别是当甲烷超限时，断电控制区域的矿井安全监控设备必须为本质安全型，以保证当甲烷超限时，监控设备连续工作。因此，矿井监控系统电源必须为本质安全型输出。由于矿井监控系统电源需从井下交流电网获取能量，而交流电网的引入难以使矿井监控系统电源制做成单一本质安全型。因此，矿井监控系统电源一般为隔爆兼本质安全型或浇封兼本质安全型。,2）电网电压波动适应能力强。采煤机、掘进机、输送机等井下电气设备功率大，直接启动，频繁启动，供电距离远等造成了井下交流电网电压波动范围大（75%110%）。因此，要求矿用电源电网电压波动适应能力强，在75%110%的额定电压范围内正常工作。 3）效率高、体积小、重量轻。井下空间狭小。因此，要求矿用电源体积小，重量轻。矿用电源电网电压波动范围大，负载变化大，为减小矿用电源的体积和重量，就必须提高电源效率，减小散热片面积。因为散热片体积的增大，还会进一步导致隔爆外壳体积的增大和重量的增加。,4）保护功能强。矿用电源工作在环境恶劣的煤矿井下，井下潮湿，有淋水和矿尘，顶板垮落，机械碰撞等，这些会造成负载或电缆短路。因此，矿用电源要有短路保护，过流保护等功能，同时要防潮、防水、防尘、防霉、防腐。 5）输入电压范围宽。煤矿井下交流电网电压等级较多。36v、127v、380v、660v、1140v、3300v等，矿用电源的输入电压一般选36v、127v、380v和660v，还应兼顾地面的220v。因此，要求矿用电源输入电压范围宽。,4.1.1矿用电源的主要技术指标 矿用电源的主要技术指标有额定输入电压、允许输入电压范围、额定输出电压、输出电压范围、最大输出电压、额定输出电流、最大输出电流、稳定系数、电压调整率、电流调整率、输出电阻（内阻）、最大纹波电压、纹波系数。其中最大输出电压、最大输出电流是本质安全防爆电源的必备安全系数。,1）额定输入电压U1是矿用电源标称输入电压，如：36v、127v、220v、380v等。 2）允许输入电压范围是矿用电源允许输入电压范围，通常用额定输入电压的百分比表示（如：75%110%U1），也可用允许输入电压的上限和下限表示（如95V140V）。当输入电压超出输入电压范围，电源将损坏或工作不正常，或失去防爆性能。 3）额定输出电压是矿用电源标称输出电压，如：5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v等。,4）输出电压范围是矿用电源在规定的输入电压范围内和输出电流不大于额定输出电流的情况下，输出电压变化范围。输出电压的变化范围可以用输出电压的上、下限表示，如：4.75V5.25V表示，也可以用额定输出电压的相对值来表示，如：5%。 5）最大输出电压是指矿用电源在开路等情况下所能输出的最大电压。这是本质安全型防爆电源的一个重要指标。若矿用电源的输出电压大于最大输出电压，将无法保证电源的防爆性能，这种电源严禁在井下爆炸性环境中使用。,6）额定输出电流是矿用电源的标称电流。当输出电流不大于额定输出电流，输入电压不超过允许输入电压范围时，电源的防爆性能和输出电压范围均可得到保证。当电源的输出电流大于额定输出电流时，电源的一些技术指标将难以保证，但防爆性能必须保证。 7)最大输出电流是指矿用电源在短路等情况所能输出的最大电流。这是本质安全防爆电源的一个重要指标。若矿用电源的输出电流大于最大输出电流，将无法保证电源的防爆性能，这种电源严禁在井下爆炸性环境中使用。,8)稳定系数是指输入交流电压变化Vi所引起的输出直流变化Vo的变化量。稳压系数越小，说明输出越稳定。稳压系数又分为绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数是指当负载不变（Io=0）环境温度不变（T=0），而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量Vo与输入交流电压变化量Vi之比，即：K=Vo/Vi。相对稳压系数是指当负载不变（Io=0），环境温度不变（T=0），交流输入电压相对变化V/ V所引起的输出直流电压相对变化Vo/Vo的比值，即：S=（Vo/Vo）/（V/ V）。,9)电压调整率是指负载为额定负载时，输入交流电压在额定值上下变化10%时，稳压电源输出电压的相对变化量SV=（Vo/Vo）100%。 10)电流调整率是指在额定交流输入电压条件下，负载电流从零变化到额定输出电流值时，输出电压变化V0与输出额定电压V0的比值Si=（Vo/Vo）100%。Si反映了电源对负载电流变化的适应能力，Si越小越好。 11)输出电阻（内阻）是指在额定输入电压（Vi=0）情况下，负载电流变化I0所引起的输出电压变化V0，R0=|V0/I0|。R0越小越好。,12)纹波电压是指在额定输出电压、额定输出电流、额定输入电压情况下，输出交流分量电压的绝对值大小，通常用峰值或有效值表示。 13)纹波系数是指在额定输出电压、额定输出电流、额定输入电压情况下，输出纹波电压的有效值VNms与输出直流电压V0的比值。,4.2 矿用备用电源 为保证井下交流电网停电后，安全监控设备的正常工作，矿井监控设备必须配备备用电源，并保证维持正常工作时间不小于2小时。由于矿井监控的特殊性，矿用备用电源同一般备用电源相比具有如下特点：,1）应采用蓄电池 备用电源有蓄电池、原电池、贮备电池和燃料电池。由于要求备用电源至少维持2小时的正常工作，并且输出功率较大。 2）蓄电池应采用连续浮充制 蓄电池可工作在循环充放电制、定期浮充制和浮充制。 循环充放电制一般用于移动、便携式蓄电池，如：蓄电池电机车、矿灯、便携式甲烷检测报警仪和便携式工具等。若用于固定式蓄电池需有两组，一组工作（放电），一组备用（充电或待机）。该种工作方式输出直流中无脉冲交流成分，线路简单。,连续浮充制（又称全浮充制）是将蓄电池始终并接在负载回路上，负载所需的能量主要由整流电路提供，整流电路同时向蓄电池小电流充电。当电网停电或整流电路输出电压低于蓄电池电压时，蓄电池向负载放电。不难看出，蓄电池具有平滑输出电压的功能。连续浮充制可保证连续供电，但不能保证蓄电池的充满和放净。因此，镉镍等具有记忆效应的蓄电池不宜采用连续浮充制，否则会降低蓄电池的使用寿命。 定期浮充制（又称半浮充制）是部分时间由整流设备供电，并对蓄电池充电，部分时间由蓄电池供电。该种方法难以保证当电网停电后维持2小时正常供电的要求，例如当蓄电池供电阶段结束时，恰好遇到井下停电，由于蓄电池已放净。因此，不能继续向负载供电。 不难看出，为保证井下交流电网停电后，蓄电池供电时间不少于2小时，矿用备用电源的蓄电池应采用连续浮充制。,备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路。 为保证备用电池的本质安全防爆性能，蓄电池不能直接向负载供电，必须经过双重或多重限压（稳压）和限流（恒流）保护。而主电路也必须具备双重或多重限压（稳压）和限流（恒流）保护。为避免电路的重复设置，减小体积和重量，降低成本，提高效率，备用电源输出的双重化和多重化的限压（稳压）和限流（恒流）电路要与主电路的双重化和多重化的限压（稳压）和限流（恒流）电路共用。,3）蓄电池要全密封免维护 矿用备用电源蓄电池一般置于隔爆腔内。为防止电解液泄漏，破坏隔爆外壳的防爆性能，矿用备用电源蓄电池要全密封。置于隔爆外壳内的电气设备维护比较困难。因此，矿用备用电源蓄电池要免维护。电路的体积增大，会要求较大的隔爆外壳，大大增加设备重量。因此，矿用备用电源的蓄电池要体积小、重量轻。 4）蓄电池无记忆效应 由于矿用备用电源蓄电池应采用连续浮充制。因此，其蓄电池应无记忆效应，以防止蓄电池容量的迅速下降和使用寿命的降低。,1、主要技术指标 蓄电池的技术指标是选择蓄电池的重要依据。蓄电池的主要技术指标有电动势、开路电压、工作电压、容量、内阻、自放电率、比能量、比功率和寿命等。 1）电动势 电动势是电池在理论上输出能量大小的量度之一。如果其他条件相同，电动势愈高的电池，理论上能输出的能量就愈大，使用价值就愈高。电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电势之差。,2）开路电压与工作电压 电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压在数值上接近电池的电动势。 工作电压指电池接通负荷后在放电过程中显示的电压，又称负荷（载）电压或放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。 电池在接通负荷后，由于电池内阻等，电池的工作电压低于开路电压。电池的放电电压随放电时间的平稳性表示电压精度的高低。,3）容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称电池的容量，以符号C表示。常用单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。电池的容量可分为理论容量、额定容量.,4）内阻 电池的内阻表示电流通过电池内部时引起输出电压变化的程度。电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间而变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在放电过程中不断地变化。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，两者之和为电池的全内阻。其中欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度的增大而增大，但不是线性变化，常随电流密度的对数增大而增大。 5）自放电 电池的自放电是指电池在存贮期间容量降低的现象。,6）比能量与比功率 电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能给出的电能，通常用瓦小时（Wh）表示电池的能量。可分为理论能量和实际能量。理论能量是理论容量与电动势的乘积，实际能量是实际容量与平均工作电压的乘积。通常用比能量来比较不同的电池系列。比能量是电池单位质量或单位体积所能输出的电能，同样有理论比能量和实际比能量之分。,7）寿命 在规定条件下，蓄电池的有效寿命期限称为该蓄电池的使用寿命。电池的使用寿命可分为循环寿命和浮充寿命。蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常工作条件下，蓄电池浮充供电的时间称为浮充寿命。,2、蓄电池简介 1)铅酸蓄电池 铅酸蓄电池制造工艺简单，价格便宜，容量大，可大电流放电，无记忆效应。近年来使用的全密封免维护铅酸蓄电池特别适用于井下长时间无人看守的场合。铅酸蓄电池对充放电电路要求不高，只要求充电时稳压限流，不放电即可，因此可简化充放电电路。由于铅酸蓄电池的比能量不是很高，因此相对同容量的镉镍、镍氢、锂等蓄电池体积及重量较大。总之，铅酸蓄电池可用做矿用备用电源。,2)镉镍蓄电池 镉镍蓄电池有多种形式，如袋式、开口烧结式、密封式等。 镉镍蓄电池最大的缺点是存在记忆效应。如果应用于地面普通场合，如手机电池等，可采用先放电再充电的方法，克服记忆效应。但在矿井监控系统中，要求不间断供电，如仍采用先放电再充电的方法就有可能出现在电池充电前的被动放电过程中，需要电池给外电路供电时，这就不能保证系统的不间断供电。矿用备用电源的蓄电池应在连续浮充状态下运行，由于每次外部电源故障持续时间是很短的，一般都不能使蓄电池完全放电，电池总是处于不完全放电状态。因此在记忆效应作用下，工作一段时间后即出现“一充就满，一放就完”的现象，电池的实际使用容量急剧下降，因此，矿用备用电源的蓄电池不宜采用镉镍蓄电池。,3) 镍氢蓄电池 镍氢蓄电池基本特性与镉镍电池类似，但比能量更高，且没有记忆效应。负极为储氢合金，且电池本身具有防爆装置，国内外产品相对成熟。镍氢蓄电池对充放电电路要求较高。在充电时，镍氢电池的温度较高，尤其是在过充电时，内部温度急剧上升，可能使电池冒气。因此要求充电电路具有计算电池电压变化曲线斜率的功能，准确判断充电时电压拐点的出现，改变充电状态。同时要求在电池组中装入温度开关，防止电池温度过高，影响防爆性能。镍氢蓄电池的价格相对较贵，且单位容量越高，价格增加越大。总之，镍氢电池无记忆效应，经过严格控制充放电过程，可避免氢气的析出，可用于矿用备用电源。,4) 锂离子蓄电池 锂离子蓄电池体积小，重量轻，比能量高，性能好，无记忆效应，但价格较镍氢蓄电池更贵（约2倍以上）。锂离子电池目前的容量较小，最大为2000mAh。锂离子蓄电池对充放电电路要求也很高，过充电不但会导致锂离子电池的永久性损坏，而且会在阴极析出金属锂，若遇高温或内部短路，就会发生爆炸。在过放电时，电解液将被分解，电池内压力上升。在电池组内部需增加检测过充电与过放电的集成电路。因此，锂离子蓄电池可用于矿用备用电源。,3、矿用备用电源与矿用电源的连接方式 矿用备用电源与矿用电源的连接可分为矿用备用电源与矿用电源相互独立的连接方法和矿用备用电源与矿用电源一体化的连接方法。 矿用备用电源与矿用电源相互独立的连接方法 为保证矿用电源的本质安全防爆性能，相互独立的矿用备用电源与矿用电源的连接方式如图所示。,1)矿用备用电源接矿用电源的交流输入端 矿用备用电源接矿用电源的交流输入端的连接方式如图所示，在该种连接方式中，矿用备用电源为隔爆型或浇封型等非本质安全型。矿用备用电源的内部电路为普通UPS电路。当交流电网有电时，矿用备用电源经ACDC电路向蓄电池充电，矿用电源的电能主要由交流电网提供。当电网停电或电压值较低时，蓄电池经DCAC电路向矿用本质安全防爆直流电源供电。该种连接方式适合矿用电源与矿用备用电源相互独立的情况。,（a）,2)矿用备用电源与矿用电源并联 矿用备用电源与矿用电源并联如图所示，该种连接方式没有实用价值。这是因为矿用本质安全防爆备用电源是一个完整的电源，完全可以替代矿用本质安全防爆电源。输出并联后，矿用本质安全防爆电源和矿用本质安全防爆备用电源的最大输出电流之和不得引起爆炸性混合物燃烧和爆炸。即：矿用备用电源和矿用电源的最大输出电流均减小。,3)矿用备用电源与矿用电源输出并接 矿用备用电源与矿用电源输出并接方式如图所示。矿用备用电源为本质安全型防爆，该种连接方式也没有实用价值。当交流电网有电时，矿用电源向负载及矿用备用电源供电，电网停电或矿用电源输出电压较低时，矿用备用电源向负载供电。由于矿用备用电源的并入，矿用电源的带负载能力下降，同时为保证本质安全防爆性能，矿用电源和矿用备用电源的最大输出电流必须很小，以保证两者之和满足本质安全防爆要求。,4)矿用备用电源接矿用电源输出 矿用备用电源接矿用电源输出的方式如图4-1（d）所示，矿用备用电源为本质安全防爆型，当电网有电时，矿用电源经矿用备用电源向负载供电时，矿用备用电源蓄电池充电。当电网停电或输出电压较低时，矿用备用电源向负载供电。该种方式的矿用电源与矿用备用电源的双重化（或多重化）限流（恒流）限压（恒压）电路重复设置，效率低、成本高、体积大。,4矿用备用电源与矿用电源一体化的连接方法 矿用备用电源与矿用电源一体化，可共用双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路和防爆外壳。因此，具有体积小、重量轻、成本低、效率高等优点，矿用备用电源与矿用电源一体化的连接方法如图4-2所示。交流电网有电时，整流滤波电路除经双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路向负载供电外，还向蓄电池供电。当交流电网停电或电压较低时，蓄电池经双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路向负载供电。其中充电电路根据所选用的蓄电池设计，可以是简单的限流电阻，也可以是具有电压、电流调节功能的集成电路芯片。该种连接方法具有电路简单、体积小、重量轻、效率高，适用于线性电源和开关电源的优点，在具有备用电源的矿用电源中应用较多。,图4-2蓄电池并接在整流电路输出端的连接方式,