河南許平煤業公司礦區電網整體改造方案設計

楊孝虎

(河南省許平煤業有限公司)

許平煤業供電公司成立于2014年，是中國平煤神馬集團下屬公司許平煤業有限公司內部電網，由梨園供電公司和平禹供電公司合并而成。其礦區覆蓋平頂山市和許昌市，覆蓋面積較廣，系統分布極為不均，目前由16座變電站組成，其中有1座110 kV級，13座為35 kV級，總裝機容量271 MW，線路總長度約300 km，且大多分布于山區。公司電網經過近40 a的運行，系統中存在的主要問題是設備老化、淘汰設備多、線路桿塔風化嚴重、絕緣水平下降、電網繼電保護和安全裝置落后、動作協調性差、缺乏必要的檢測和記錄手段、事故發生頻繁且原因難以查找等。本研究對電網改造方案進行設計，改造內容主要有線路升級改造、變電站升級改造、公司電力調度升級改造等。

1 線路改造

1.1 線路防雷

公司電網部分線路經過多雷區域，且大多線路不具備全線避雷功能，如程方線和文方線。雷電一直是危害公司電網安全、造成局部或較大范圍停電的重大自然因素。雷電主要分為直擊雷和感應雷2種，雷直擊在桿塔或線路上時，直接造成過電壓，引起絕緣子閃絡和斷路器跳閘，嚴重時，會造成絕緣子破裂和斷線事故。事故可能造成設備直接擊穿和避雷器爆炸。對此，可采取外部和內部綜合防雷措施：①對電網線路進行重新設計選擇通道，采取主動避讓雷擊多發區；②增加全線避雷線；③降低桿塔接地電阻，在桿塔上接引雷針、架設進線進行避雷保護，多雷區每級桿塔上架設主動式避雷針；④安裝變電站進線阻波器，多雷區增加絕緣子串；⑤加強線路管理，在通道兩側的桿塔上增加反光“高壓危險”、“禁止攀爬”等警示標志，在下埋電力電纜段增加警示樁，加強通道兩側居民電力安全普法宣傳，在鐵塔上安裝驅鳥器[1-3]。

1.2 線路架設

許平煤業公司礦區小型煤礦、重組煤礦多，線路大多自行架設，以水泥桿居多，線路經過山地和采礦塌陷區時極易發生傾倒，線路經過農村時，工農關系協調復雜，給線路檢查和維護帶來了很大因難。線路引入站點也取自各地方變電站，部分還使用農電，不符合“礦井專用線路不得分接其他負荷”的要求，必須進行線路改造。對此，可針對各個礦井的分布特點，統一優化變電站，設置區域變電站，重新構建煤礦供電雙回路。以大型礦井變電站為主要用戶，同時輻射周邊小煤礦。線路架設全部采用鐵塔，淘汰門式桿和水泥桿，增強抗傾倒能力。

2 變電站改造

公司電網變電站運行存在的問題有：①設備超期服役，造成絕緣下降，可靠性差，存在國家禁止使用的淘汰設備，如平禹五礦站；②供電系統設備無“四遙”(遙信、遙測、遙控、遙調)功能，如平禹、平禹二礦、三礦、五礦、長虹礦；③部分以往改造系統的設備不齊全，部分設備已經停產，無法購買設備配件，如白廟站、方山站；④部分礦井資源枯竭，部分增長潛力不足；⑤部分線路較長，線路壓降較大；⑥變壓器老化嚴重；⑦大多數礦井停產保礦，設備空載率高，利用率低，形成隱性浪費；⑧上級電網運行可靠性不足，停電現象時有發生[4-6]。

相應的解決措施為：

(1)直接更換淘汰設備。對于資源接近枯竭的礦井，不宜進行電網全面改造，變壓器選型時，應對礦井產能進行預測，防止出現“大馬拉小車”現象。對于產能增長有限的礦井，可通過內部設備調換，對供電系統進行優化。

(2)自動化功能是供電系統設備選型首要考慮的問題，所有一、二次設備必須有智能單元，通過智能單元能夠對設備進行全面監控，如變壓器絕緣實時監測，繞組、鐵芯、絕緣油溫度情況，調壓分接頭動作情況，斷路器各機構動作情況，隔離開關到位情況，避雷器的計數情況等。一、二次設備通訊接口統一采用國際通用總線方式，為公司電網智能化改造奠定了基礎。

(3)針對目前公司電網中補償裝置投切不合理的現象，無法實現動態無功自動調節，造成電網能源浪費和電網末端電壓下降，在選擇補償裝置時，應優先選用動態無功補償系統，系統主要構成為晶閘管控制并聯電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及電容器組(FC)。其優點是系統無機械觸點，響應速度快，系統中的電抗器能夠抑制諧波和投切沖擊，延長電容使用壽命，并可將無功補償范圍擴大到超前和滯后2個可連續調節的范圍，因其具有雙向無功調節能力，是一種無功調節的最優方案[7]。由于該系統采用新型電子技術，因而具有良好的通訊功能。

(4)在線監視軟件必須具備專家級故障診斷功能以及友好的顯示界面，可以根據收集到的各類設備的實時工作參數，分析設備的運行狀況，并進行風險評估，以便及時通知檢修人員對設備進行相應維護。

(5)變電站所有數據必須能夠上傳到工業以太網上，統一接口標準，以TCP/IP協議為主，以供監管部門采集相關數據。

(6)需要新增或改造的變壓器全部采用非晶合金變壓器。由于大多數礦井處于停產整頓和停產保礦期間，變壓器利用率很低，采用非晶合金變壓器較各類硅鋼變壓器有以下較為突出的優點：①非晶合金鐵芯配電變壓器的最大優點是空載損耗值特低、超低的損耗特性、節省電能、用電效率高，對于生產不規律、用電負荷不確定的場合較適用；②非晶鐵芯在通過較高頻率磁通時，仍具有低鐵損及低激磁電流的特性，不致產生鐵芯飽和的問題，因而以非晶鐵芯制成的非晶合金變壓器具有較好的耐諧波能力[8]，礦井采用非晶合金變壓器對抗高次諧波非常合適；③運轉溫度低、絕緣老化慢、變壓器使用壽命長；④非晶合金配電變壓器的產品都設計成全密封式結構，具有免維護或少維護的優勢。

(7)增加應急供電系統。 對于立井提升的高沼礦井和煤與瓦斯突出礦井，一但礦井出現雙回路停電，入井人員無法快速撤回地面，通過井筒梯子間撤出大批人員需要較長時間，也不夠安全。在礦井外部供電不可靠的地區加設應急供電系統非常必要。因此設計一套柴油發電機及其配套的開關柜、電纜和保護組成的應急供電系統，可在礦井出現供電異常情況時，將應急電源輸送至礦井各個需要供電的負荷上，從而保障礦井工作人員安全。發電機容量的選擇應能夠滿足所需保護礦井的通風和副井提升系統安全運行要求，在人員撤出時還能夠完成排水任務，其最佳安置位置為就近的變電站，不但可以給不同的礦井供電，滿足多用戶需要，還可以提高設備的利用率。

3 調度系統改造

要保證電網安全運行，除了確保各站和線路良好運行外，還應合理調度能量分配[9-10]。調度指揮中心在電力系統中發揮“大腦”作用，調度人員根據電力系統當前運行狀況和預計的變化趨勢進行判斷、決策和指揮。目前，公司尚未建立綜合調度自動化系統，調度員無法及時掌握系統的運行情況，只能根據現場運行人員的反饋信息進行調度指揮，造成調度時間較長。由于系統陳舊，部分系統還不具備建立工業以太網的功能。各站不具備獨立的通訊網絡，只能掛靠在各個主體礦井網絡上。公司供電系統各站較為分散，上級文件、指令無法及時下傳到各站。對此，可以禹州地區和汝州地區為2個基本中心，首先在汝州地區進行組網，形成1個小分級網絡，調度本地區；再通過網絡上傳至禹州地區(本部在禹州)，禹州各站數據直接上傳至中心站。汝州各站通過訪問因特網上傳至汝州中心站，千兆出口接入互聯網(圖1)。

圖1 電網調度系統組網示意

4 電網改造建議

在供電線路上架設線路綜合保護器，供電系統中的監控裝置對輸電線路周邊狀況及環境參數進行全天候監測，將監測數據通過載波/短程無線電波(可通過單片機控制)傳輸至各變電站，也可以通過避雷線傳輸，但終端應裝設濾波裝置和隔離裝置。雷電對上述傳輸方式危害較大，單片機控制收發系統可以通過線路上各點互為信號中繼點，確保輸電線路安全運行。輸電線路運行過程中的各種狀態參數包括絕緣子泄漏電流、脈沖電流、絕緣子串傾角、桿塔傾斜、微氣象、導線傾角、導線弧垂、斷線(能夠判斷斷線點的距離)等。每隔0.5 km或1 km裝設1組功率方向檢測系統，該系統基于縱差動保護原理，能夠快速判斷線路上的各種故障，并可對故障點進行精確定位。針對架空線路經過部分多雷區，由于避雷線無法躲避上行雷，在雷擊區域可以安設主動式避雷針。針對各個應用系統，電網軟件系統還必須具備的功能為：①故障診斷，通過建立狀態模型，根據采集的輸電線路狀態數據，給出專家型事故評估結論，以便維護人員能夠快速查找故障和事故發生原因；②在線預警，根據輸電線路的狀態參數，發現線路存在的隱患(包括外力侵襲破壞等)，及時發出預警，避免故障發生，并進行預測和趨勢分析，為調度中心提供決策信息支持；③狀態檢修，根據輸電線路運行過程中的各類狀態信息，并按照設備狀態檢修導則，進行輸電線路狀態檢修；④風險評估，根據輸電通道周邊環境信息以及運行狀態信息，評價輸電線路未來的運行風險。在綜合調度自動化建成組網后，利用各條線路上傳信息，可建立起本級電網和上級電網之間的輸電線路差動保護模型，以便快速判斷故障點，確保供電安全可靠(圖2)。在線路上每隔0.5 km裝設1組電流互感器，故障信息發送至各站，通過因特網傳輸給電力調度中心，當線路出現故障時，相關人員能夠快速定位故障點，及時排除故障。

圖2 故障的判斷示意

5 結 語

詳細分析了許平煤業供電公司礦區電網線路、變電站、調度系統存在的問題，對公司電網整體改造方案進行了設計，取得了良好的實踐效果，對于類似礦區電網日常維護以及優化改造有一定的參考價值。