提高煤礦供電系統穩定性可靠性的研究

楊于林

摘要：隨著煤炭、電力行業技術的飛速發展，煤礦的煤炭產量逐漸加大，功率較大的運輸設備和采煤機組的不斷應用，導致煤礦井下供電系統負荷的大大增加，另外變流裝置的廣泛應用也給電網增加了諧波含量，還有礦井電網中存在的如保護定值配合問題，系統諧振問題，供電線路過長引起的井下壓降過大等問題的出現，也對礦井電網的供電可靠性提出了更高的要求。針對新出現的問題，必須采取一定的措施加以解決，以提高礦井供電的安全性和可靠性。

關鍵詞：提高煤礦供電系統穩定性可靠性

中圖分類號：X752文獻標識碼： A

一、我國煤礦供電系統的現狀

我國煤礦井下低壓供電系統采用中性點不接地方式，其優點是大大降低了電網接地電流和電容電流，提高了人身觸電安全性和供電設備的安全性。供電方式與國外大體一致，主要采用中央變電所設有主變壓器，總饋電開關向各分支開關饋電方式。但煤礦井下防爆電氣安全水平不高，主要表現為產品設計不近完善，造成故障率及可靠性差，直接影響采掘工作面安全生產。尤其是電氣故障可能引起故障產生電火，也可能引燃瓦斯煤塵爆炸事故，由此造成的傷亡人數會造成很大的后果，會給煤炭工業社會聲譽和和諧社會的穩定造成不好的負面影響。低壓供電系統防爆電器是煤礦生產必需的供電設備和控制設備，其性能好壞不僅直接影響煤礦井下高低壓供電系統的正常供電，而且，直接影響采掘工作面生產設備的正常運轉。因此，如何解決礦井供電系統電氣防火防爆安全，已引起人們的重視。防爆電器傳統的安全措施是采用防爆外殼、本質安全電路及各種保護裝置，多年來的運行實踐表明，這些安全措施可以防止事故出現，也可以防止引燃、引爆礦井瓦斯的爆炸，對保障人身安全起到了重要作用。然而，產品設計存在著不完善性，防爆外殼的結構具有一定的局限性，存在著極大安全隱患。

1、我國煤礦供電設備老化問題

在煤礦企業的設備使用上，供電設備老化已經成為了機電設備的使用中最為嚴重的問題，其中存在的最主要的問題就是高壓防爆開關的不安全性。主要從以下幾個方面闡述：第一，當閉鎖機構沒有切斷斷路器就能直接拉動隔離開關；第二，在煤礦機電設備中有些機電設備的隔離部分不防爆，這樣使得當設備出現誤操作時，這樣就有可能引起瓦斯爆炸；第三，PB系列開關在不切斷電源時可以打開機構室前蓋；第四，使用GJB3型保護器具有欠壓、過流、短路外，但是多數開關使用的DL1型保護器只具備短路和欠壓保護，這樣就不符合《煤礦安全規程》的有關要求。

2、我國煤礦測試手段落后問題

我國煤礦的試驗儀器參次不齊。在一些煤礦中都有可能根本沒有試驗儀器，就是有也不能使用，或者有些煤礦中雖有試驗儀器，但是由于引進的時間過于長久，也不能使用，致使安全保護的校驗就無法實現。所以，試驗儀器直接決定了煤礦的相關測試水平的高低，影響了煤礦供電系統的調試。

二、供電系統中存在的問題

1、繼電保護配合問題

煤礦的供電系統對于煤礦來說非常重要，是煤礦的命脈，如果供電系統運行的不可靠、不安全的話，那么將直接影響煤礦的正常運行和生產，直接給人員以及設備帶來危害，因此對于煤礦供電系統必須要設置可靠的保護和監控裝置以保證系統的可靠和穩定運行。其中，繼電保護是保證煤礦供電系統安全和穩定的核心。但是目前在煤礦供電系統中繼電保護的配置和整定還存在一些問題。

現煤礦井下供電系統的高壓電壓等級一般為6KV或者l0Kv，但是沒有一套完整的繼電保護整定配置原則;電力行業的輸送電系統中，繼電保護的配置及整定技術非常成熟，因此，為了更好的使煤礦供電系統繼電保護發揮作用，借鑒了電力行業輸送電系統的繼電保護配置原則。由于煤礦供電系統和安全生產關系密切，它的運行方式和結構也有自己的特點，如:線路相對較短而負荷較大，供電線路較多等特點，這些特點約束了煤礦供電系統的繼電保護整定原則不能完全同電力行業的繼電保護整定原則一致，要有自己的特點，要以井下實際情況為參考。此外，由于煤礦的電源進線保護已經由上級供電部門限定了動作時間和整定值，煤礦供電系統作為下級系統其保護整定值必須與上級線路保護配合，采用傳統的整定配置方案很難與上級保護配合，造成保護裝置的可靠性下降。

2、諧波電流問題

這些年來，電力電子技術的不斷發展，各種較高性能的開關元件在煤礦的應用產生了大量的諧波。涌入公共電網的諧波直接影響著電氣設備的正常運行和使用壽命，給自動控制、通信等系統的安全可靠運行帶來嚴重影響。煤礦的主、副井提升機功率為1260kW，其電動機調速裝置采用了四象限變流技術。這些大功率變流裝置的投運行產生了大量的高次諧波，如果不采取措施消除諧波的干擾，會發生諸多莫名的電氣故障，如提升機電機環火故障、電動機絕緣損壞、電纜接頭事故等。同時諧波危害還造成電氣設備效率降低，損耗加大，減少設備壽命，并增加了對人身安全的威脅。諧波不僅危害煤礦供電系統本身，而且經過電網影響其它用戶，形成電氣公害。

3、系統發生諧振問題

煤礦的供電系統是中性點經過消弧線圈接地的系統，6KV母線上有電磁式的電壓互感器TV，它的中性點經消諧器接地。在供電系統正常運行時，盡管電壓互感器的勵磁阻抗很大，但是三相基本處于平衡，所以中性點的位移電壓就很小。但是一些特殊情況下，像系統出現接地故障解除后，電壓互感器的鐵芯極易產生飽和，勵磁阻抗相對變小，而電感相對來說增大，電壓互感器與電纜電容或其它設備的雜散電容之間容易產生振蕩回路，以致于可能引起諧波產生諧振過電壓。諧振過電壓是中性點非直接接地系統中的導致事故最頻繁的一種內部的過電壓，而這種因為電磁式電壓互感器中鐵芯電感的磁飽和而引起的幅值較高的連續的過電壓就是諧振過電壓。

當發生諧振過電壓后，它的表現形式為:系統的一相、兩相或者三相對地電壓由原來的6KV升高到7-8KV左右，并出現低頻擺動的現象;變電所內的保護裝置極可能發出不準確的接地指示信號，這是因為諧振產生幅值較高的零序電壓分量，會發出“假接地”的現象，通過現場的檢查，我們會發現:母線上的電壓互感器有過電流通過，并發出異常的聲音。

三、繼電保護整定優化配合方案

1、供電系統中繼電保護存在的問題及解決思路

煤礦供電系統分為兩個層次，地面主變一次為35kV供電系統，井下6kV供電系統，35kV供電系統為雙回路供電級，分別為I線和II線;煤礦自備電廠有三路通過35kV變電所并網。35k V變電所是煤礦供電系統的核心。一次電壓為35kV級，分為三段母線連接三臺主變，二次電壓為6kV級，分成三段母線供到下級負荷，地面設有東風井變電所和井下中央變電所兩個主要的6kV級變電所。

目前煤礦的供電系統中的問題主要有以下幾個方面:

1)、整定值過小，時限過短，保護無法配合。煤礦地面變電所離井下采區變電所距離較長，而井下供電系統是單側電源輻射狀的電網，它的中間經過的開關數量比較多，這樣就需要比較大的保護定值和較長的時限去配合整定，但是電力部門規定了電源線路的保護時限和定值，己經無法更改，造成了現在存在的問題。

2)煤礦井下中央變電所如果發生母線短路故障時，此時如果地面35kV變電所內的6KV下井回路饋出盤的速斷保護沒有動作，那么只有依靠主變壓器的過電流保護動作，極有可能引起全礦的停電事故，帶來意想不到的危害。

3)煤礦井下采區變電所的保護基本上采用反時限的過流保護，當采區變電所發生出線故障時，保護定值沒有很好的配合計算，沒有很好的選擇性，造成越級跳閘。

為了解決煤礦的供電系統中存在的問題，必須制訂出適合煤礦的供電系統的繼電保護配置方案及整定計算，及時對現有的一套保護系統的配置和整定值進行修改和優化，從而使煤礦的供電系統安全、可靠的運行。其優化配置的思路及原則如下:

1)從井下變電所、配電點到井上地面變電所，在滿足繼電保護整定原則的前提下，針對煤礦電網與其它電力行業電網的區別，根據現場情況設定繼電保護并將其整定電流值優化，以實現原來沒法實現的縱向性選擇，達到適合現場的最佳保護設置及整定的方法。

2)地面向井下供電的下井線路由于大部分都安裝電抗器，從而使短路電流值在井上、井下，即從電源到負荷的方向上有明顯的區別，容易區分速斷動作電流，所以這樣在下井線路上設定定時限過流保護、限時速斷保護、瞬時速斷保護三點式保護，將其保護的時限與整定值和相鄰的線路配合。

3)變壓器保護:為保證變壓器后備保護的可靠性，應該從電壓動作值和時限兩個方面考慮，即變壓器的電流保護的動作時限要與煤礦下井下路的III段時限相配合;變壓器保護的負壓閉鎖值應該重新設定，應按照變壓器低壓側末端若發生故障時的電壓元件的靈敏度來整定。如果考慮供電的安全可靠，以及保護的靈敏性，原則上最好退出復壓閉鎖。

4)重新討論采區變電所反時限過電流保護的整定配置原則，當采區線路發生故障時，保護具有選擇性。

2、線路配置方案

根據煤礦供電系統現有的條件及其特殊性，地面6Kv架空線路發生短路故障的幾率遠遠小于井下電纜網絡的特點，線路上總體的優化配置方案，不但要考慮到要對井下發生短路故障時產生的大電流對上級變電所產生的沖擊的限制，還要將地面、井下的繼電保護過流動作值配合好，以及要充分想到線路的壓降、保護裝置的選擇性、可靠性的條件。下圖是以煤礦35kV地面到一270線路為例進行分析，其優化方案如下:

圖線路配置總體方案

系統的各線路的開關都進行具有短階梯時限的限時速斷和定時過流兩段式保護的統一設置，十采變進線QF3-4處、-270變進線QF1-4, QF2-4處的保護II段時限與一270變出線QF1-41一QF1-43, QF2-41一QF2-43處的保護II段配合，其時間設定為0. 4s。像從下井線路到十采變電所或者一270變電所的線路上沒有負荷，還有就是同一條進線和出線，例如中央變電所的QF1-2, QF1-3就能夠將其整定為同一時限。

在地面35kV變電所室內的6KV下井饋出線路開關上整定為三段電流保護，它的定時限過流保護時限同主變壓器的過流保護相統一配合，設定時限為0. 9 s;限時速斷的動作電流應該能夠保護線路的全長，其時限設定為0. 6s，其下井回路在始端裝設了電抗器，這樣使得電流在地面、井下有一定的差距，從而使得具有更可靠的縱向選擇性。下井線路的前段部分主要受瞬時速斷的保護。

從地面35kV變電所室內的6KV母線開始直至到達一270變電所，全部線路都是6KV的電纜組成，其長度都非常的短，故短路電流相差不大，從而限時速斷的動作電流基本相等，短階梯時限保證了其縱向的選擇性。各線路的主保護均為限時速斷保護，近后備保護為本級的定時過流保護，這種設置是一種可靠性非常高的保護設置。

結束語：

在目前情況下，煤礦供電系統還存在著很多的問題，這些問題的纏住都需要我們去努力解決，要解決好這些問題，在主要的關鍵的就在于我們要充分的認識和理解煤礦供電安全性和可靠性中的必要性和重要性。所以，我們應該充分的發揮現在已經有的一些新技術和新方法的功能，使得這對煤礦供電系統的可靠性和安全性能夠起到推動作用，對煤礦的安全生產和煤礦機電設備的高效運行具有極其重要的作用。

參考文獻：

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