提高煤矿供电系统稳定性可靠性的研究

杨于林

摘要：随着煤炭、电力行业技术的飞速发展，煤矿的煤炭产量逐渐加大，功率较大的运输设备和采煤机组的不断应用，导致煤矿井下供电系统负荷的大大增加，另外变流装置的广泛应用也给电网增加了谐波含量，还有矿井电网中存在的如保护定值配合问题，系统谐振问题，供电线路过长引起的井下压降过大等问题的出现，也对矿井电网的供电可靠性提出了更高的要求。针对新出现的问题，必须采取一定的措施加以解决，以提高矿井供电的安全性和可靠性。

关键词：提高煤矿供电系统稳定性可靠性

中图分类号：X752文献标识码： A

一、我国煤矿供电系统的现状

我国煤矿井下低压供电系统采用中性点不接地方式，其优点是大大降低了电网接地电流和电容电流，提高了人身触电安全性和供电设备的安全性。供电方式与国外大体一致，主要采用中央变电所设有主变压器，总馈电开关向各分支开关馈电方式。但煤矿井下防爆电气安全水平不高，主要表现为产品设计不近完善，造成故障率及可靠性差，直接影响采掘工作面安全生产。尤其是电气故障可能引起故障产生电火，也可能引燃瓦斯煤尘爆炸事故，由此造成的伤亡人数会造成很大的后果，会给煤炭工业社会声誉和和谐社会的稳定造成不好的负面影响。低压供电系统防爆电器是煤矿生产必需的供电设备和控制设备，其性能好坏不仅直接影响煤矿井下高低压供电系统的正常供电，而且，直接影响采掘工作面生产设备的正常运转。因此，如何解决矿井供电系统电气防火防爆安全，已引起人们的重视。防爆电器传统的安全措施是采用防爆外壳、本质安全电路及各种保护装置，多年来的运行实践表明，这些安全措施可以防止事故出现，也可以防止引燃、引爆矿井瓦斯的爆炸，对保障人身安全起到了重要作用。然而，产品设计存在着不完善性，防爆外壳的结构具有一定的局限性，存在着极大安全隐患。

1、我国煤矿供电设备老化问题

在煤矿企业的设备使用上，供电设备老化已经成为了机电设备的使用中最为严重的问题，其中存在的最主要的问题就是高压防爆开关的不安全性。主要从以下几个方面阐述：第一，当闭锁机构没有切断断路器就能直接拉动隔离开关；第二，在煤矿机电设备中有些机电设备的隔离部分不防爆，这样使得当设备出现误操作时，这样就有可能引起瓦斯爆炸；第三，PB系列开关在不切断电源时可以打开机构室前盖；第四，使用GJB3型保护器具有欠压、过流、短路外，但是多数开关使用的DL1型保护器只具备短路和欠压保护，这样就不符合《煤矿安全规程》的有关要求。

2、我国煤矿测试手段落后问题

我国煤矿的试验仪器参次不齐。在一些煤矿中都有可能根本没有试验仪器，就是有也不能使用，或者有些煤矿中虽有试验仪器，但是由于引进的时间过于长久，也不能使用，致使安全保护的校验就无法实现。所以，试验仪器直接决定了煤矿的相关测试水平的高低，影响了煤矿供电系统的调试。

二、供电系统中存在的问题

1、继电保护配合问题

煤矿的供电系统对于煤矿来说非常重要，是煤矿的命脉，如果供电系统运行的不可靠、不安全的话，那么将直接影响煤矿的正常运行和生产，直接给人员以及设备带来危害，因此对于煤矿供电系统必须要设置可靠的保护和监控装置以保证系统的可靠和稳定运行。其中，继电保护是保证煤矿供电系统安全和稳定的核心。但是目前在煤矿供电系统中继电保护的配置和整定还存在一些问题。

现煤矿井下供电系统的高压电压等级一般为6KV或者l0Kv，但是没有一套完整的继电保护整定配置原则;电力行业的输送电系统中，继电保护的配置及整定技术非常成熟，因此，为了更好的使煤矿供电系统继电保护发挥作用，借鉴了电力行业输送电系统的继电保护配置原则。由于煤矿供电系统和安全生产关系密切，它的运行方式和结构也有自己的特点，如:线路相对较短而负荷较大，供电线路较多等特点，这些特点约束了煤矿供电系统的继电保护整定原则不能完全同电力行业的继电保护整定原则一致，要有自己的特点，要以井下实际情况为参考。此外，由于煤矿的电源进线保护已经由上级供电部门限定了动作时间和整定值，煤矿供电系统作为下级系统其保护整定值必须与上级线路保护配合，采用传统的整定配置方案很难与上级保护配合，造成保护装置的可靠性下降。

2、谐波电流问题

这些年来，电力电子技术的不断发展，各种较高性能的开关元件在煤矿的应用产生了大量的谐波。涌入公共电网的谐波直接影响着电气设备的正常运行和使用寿命，给自动控制、通信等系统的安全可靠运行带来严重影响。煤矿的主、副井提升机功率为1260kW，其电动机调速装置采用了四象限变流技术。这些大功率变流装置的投运行产生了大量的高次谐波，如果不采取措施消除谐波的干扰，会发生诸多莫名的电气故障，如提升机电机环火故障、电动机绝缘损坏、电缆接头事故等。同时谐波危害还造成电气设备效率降低，损耗加大，减少设备寿命，并增加了对人身安全的威胁。谐波不仅危害煤矿供电系统本身，而且经过电网影响其它用户，形成电气公害。

3、系统发生谐振问题

煤矿的供电系统是中性点经过消弧线圈接地的系统，6KV母线上有电磁式的电压互感器TV，它的中性点经消谐器接地。在供电系统正常运行时，尽管电压互感器的励磁阻抗很大，但是三相基本处于平衡，所以中性点的位移电压就很小。但是一些特殊情况下，像系统出现接地故障解除后，电压互感器的铁芯极易产生饱和，励磁阻抗相对变小，而电感相对来说增大，电压互感器与电缆电容或其它设备的杂散电容之间容易产生振荡回路，以致于可能引起谐波产生谐振过电压。谐振过电压是中性点非直接接地系统中的导致事故最频繁的一种内部的过电压，而这种因为电磁式电压互感器中铁芯电感的磁饱和而引起的幅值较高的连续的过电压就是谐振过电压。

当发生谐振过电压后，它的表现形式为:系统的一相、两相或者三相对地电压由原来的6KV升高到7-8KV左右，并出现低频摆动的现象;变电所内的保护装置极可能发出不准确的接地指示信号，这是因为谐振产生幅值较高的零序电压分量，会发出“假接地”的现象，通过现场的检查，我们会发现:母线上的电压互感器有过电流通过，并发出异常的声音。

三、继电保护整定优化配合方案

1、供电系统中继电保护存在的问题及解决思路

煤矿供电系统分为两个层次，地面主变一次为35kV供电系统，井下6kV供电系统，35kV供电系统为双回路供电级，分别为I线和II线;煤矿自备电厂有三路通过35kV变电所并网。35k V变电所是煤矿供电系统的核心。一次电压为35kV级，分为三段母线连接三台主变，二次电压为6kV级，分成三段母线供到下级负荷，地面设有东风井变电所和井下中央变电所两个主要的6kV级变电所。

目前煤矿的供电系统中的问题主要有以下几个方面:

1)、整定值过小，时限过短，保护无法配合。煤矿地面变电所离井下采区变电所距离较长，而井下供电系统是单侧电源辐射状的电网，它的中间经过的开关数量比较多，这样就需要比较大的保护定值和较长的时限去配合整定，但是电力部门规定了电源线路的保护时限和定值，己经无法更改，造成了现在存在的问题。

2)煤矿井下中央变电所如果发生母线短路故障时，此时如果地面35kV变电所内的6KV下井回路馈出盘的速断保护没有动作，那么只有依靠主变压器的过电流保护动作，极有可能引起全矿的停电事故，带来意想不到的危害。

3)煤矿井下采区变电所的保护基本上采用反时限的过流保护，当采区变电所发生出线故障时，保护定值没有很好的配合计算，没有很好的选择性，造成越级跳闸。

为了解决煤矿的供电系统中存在的问题，必须制订出适合煤矿的供电系统的继电保护配置方案及整定计算，及时对现有的一套保护系统的配置和整定值进行修改和优化，从而使煤矿的供电系统安全、可靠的运行。其优化配置的思路及原则如下:

1)从井下变电所、配电点到井上地面变电所，在满足继电保护整定原则的前提下，针对煤矿电网与其它电力行业电网的区别，根据现场情况设定继电保护并将其整定电流值优化，以实现原来没法实现的纵向性选择，达到适合现场的最佳保护设置及整定的方法。

2)地面向井下供电的下井线路由于大部分都安装电抗器，从而使短路电流值在井上、井下，即从电源到负荷的方向上有明显的区别，容易区分速断动作电流，所以这样在下井线路上设定定时限过流保护、限时速断保护、瞬时速断保护三点式保护，将其保护的时限与整定值和相邻的线路配合。

3)变压器保护:为保证变压器后备保护的可靠性，应该从电压动作值和时限两个方面考虑，即变压器的电流保护的动作时限要与煤矿下井下路的III段时限相配合;变压器保护的负压闭锁值应该重新设定，应按照变压器低压侧末端若发生故障时的电压元件的灵敏度来整定。如果考虑供电的安全可靠，以及保护的灵敏性，原则上最好退出复压闭锁。

4)重新讨论采区变电所反时限过电流保护的整定配置原则，当采区线路发生故障时，保护具有选择性。

2、线路配置方案

根据煤矿供电系统现有的条件及其特殊性，地面6Kv架空线路发生短路故障的几率远远小于井下电缆网络的特点，线路上总体的优化配置方案，不但要考虑到要对井下发生短路故障时产生的大电流对上级变电所产生的冲击的限制，还要将地面、井下的继电保护过流动作值配合好，以及要充分想到线路的压降、保护装置的选择性、可靠性的条件。下图是以煤矿35kV地面到一270线路为例进行分析，其优化方案如下:

图线路配置总体方案

系统的各线路的开关都进行具有短阶梯时限的限时速断和定时过流两段式保护的统一设置，十采变进线QF3-4处、-270变进线QF1-4, QF2-4处的保护II段时限与一270变出线QF1-41一QF1-43, QF2-41一QF2-43处的保护II段配合，其时间设定为0. 4s。像从下井线路到十采变电所或者一270变电所的线路上没有负荷，还有就是同一条进线和出线，例如中央变电所的QF1-2, QF1-3就能够将其整定为同一时限。

在地面35kV变电所室内的6KV下井馈出线路开关上整定为三段电流保护，它的定时限过流保护时限同主变压器的过流保护相统一配合，设定时限为0. 9 s;限时速断的动作电流应该能够保护线路的全长，其时限设定为0. 6s，其下井回路在始端装设了电抗器，这样使得电流在地面、井下有一定的差距，从而使得具有更可靠的纵向选择性。下井线路的前段部分主要受瞬时速断的保护。

从地面35kV变电所室内的6KV母线开始直至到达一270变电所，全部线路都是6KV的电缆组成，其长度都非常的短，故短路电流相差不大，从而限时速断的动作电流基本相等，短阶梯时限保证了其纵向的选择性。各线路的主保护均为限时速断保护，近后备保护为本级的定时过流保护，这种设置是一种可靠性非常高的保护设置。

结束语：

在目前情况下，煤矿供电系统还存在着很多的问题，这些问题的缠住都需要我们去努力解决，要解决好这些问题，在主要的关键的就在于我们要充分的认识和理解煤矿供电安全性和可靠性中的必要性和重要性。所以，我们应该充分的发挥现在已经有的一些新技术和新方法的功能，使得这对煤矿供电系统的可靠性和安全性能够起到推动作用，对煤矿的安全生产和煤矿机电设备的高效运行具有极其重要的作用。

参考文献：

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