河南许平煤业公司矿区电网整体改造方案设计

杨孝虎

(河南省许平煤业有限公司)

许平煤业供电公司成立于2014年，是中国平煤神马集团下属公司许平煤业有限公司内部电网，由梨园供电公司和平禹供电公司合并而成。其矿区覆盖平顶山市和许昌市，覆盖面积较广，系统分布极为不均，目前由16座变电站组成，其中有1座110 kV级，13座为35 kV级，总装机容量271 MW，线路总长度约300 km，且大多分布于山区。公司电网经过近40 a的运行，系统中存在的主要问题是设备老化、淘汰设备多、线路杆塔风化严重、绝缘水平下降、电网继电保护和安全装置落后、动作协调性差、缺乏必要的检测和记录手段、事故发生频繁且原因难以查找等。本研究对电网改造方案进行设计，改造内容主要有线路升级改造、变电站升级改造、公司电力调度升级改造等。

1 线路改造

1.1 线路防雷

公司电网部分线路经过多雷区域，且大多线路不具备全线避雷功能，如程方线和文方线。雷电一直是危害公司电网安全、造成局部或较大范围停电的重大自然因素。雷电主要分为直击雷和感应雷2种，雷直击在杆塔或线路上时，直接造成过电压，引起绝缘子闪络和断路器跳闸，严重时，会造成绝缘子破裂和断线事故。事故可能造成设备直接击穿和避雷器爆炸。对此，可采取外部和内部综合防雷措施：①对电网线路进行重新设计选择通道，采取主动避让雷击多发区；②增加全线避雷线；③降低杆塔接地电阻，在杆塔上接引雷针、架设进线进行避雷保护，多雷区每级杆塔上架设主动式避雷针；④安装变电站进线阻波器，多雷区增加绝缘子串；⑤加强线路管理，在通道两侧的杆塔上增加反光“高压危险”、“禁止攀爬”等警示标志，在下埋电力电缆段增加警示桩，加强通道两侧居民电力安全普法宣传，在铁塔上安装驱鸟器[1-3]。

1.2 线路架设

许平煤业公司矿区小型煤矿、重组煤矿多，线路大多自行架设，以水泥杆居多，线路经过山地和采矿塌陷区时极易发生倾倒，线路经过农村时，工农关系协调复杂，给线路检查和维护带来了很大因难。线路引入站点也取自各地方变电站，部分还使用农电，不符合“矿井专用线路不得分接其他负荷”的要求，必须进行线路改造。对此，可针对各个矿井的分布特点，统一优化变电站，设置区域变电站，重新构建煤矿供电双回路。以大型矿井变电站为主要用户，同时辐射周边小煤矿。线路架设全部采用铁塔，淘汰门式杆和水泥杆，增强抗倾倒能力。

2 变电站改造

公司电网变电站运行存在的问题有：①设备超期服役，造成绝缘下降，可靠性差，存在国家禁止使用的淘汰设备，如平禹五矿站；②供电系统设备无“四遥”(遥信、遥测、遥控、遥调)功能，如平禹、平禹二矿、三矿、五矿、长虹矿；③部分以往改造系统的设备不齐全，部分设备已经停产，无法购买设备配件，如白庙站、方山站；④部分矿井资源枯竭，部分增长潜力不足；⑤部分线路较长，线路压降较大；⑥变压器老化严重；⑦大多数矿井停产保矿，设备空载率高，利用率低，形成隐性浪费；⑧上级电网运行可靠性不足，停电现象时有发生[4-6]。

相应的解决措施为：

(1)直接更换淘汰设备。对于资源接近枯竭的矿井，不宜进行电网全面改造，变压器选型时，应对矿井产能进行预测，防止出现“大马拉小车”现象。对于产能增长有限的矿井，可通过内部设备调换，对供电系统进行优化。

(2)自动化功能是供电系统设备选型首要考虑的问题，所有一、二次设备必须有智能单元，通过智能单元能够对设备进行全面监控，如变压器绝缘实时监测，绕组、铁芯、绝缘油温度情况，调压分接头动作情况，断路器各机构动作情况，隔离开关到位情况，避雷器的计数情况等。一、二次设备通讯接口统一采用国际通用总线方式，为公司电网智能化改造奠定了基础。

(3)针对目前公司电网中补偿装置投切不合理的现象，无法实现动态无功自动调节，造成电网能源浪费和电网末端电压下降，在选择补偿装置时，应优先选用动态无功补偿系统，系统主要构成为晶闸管控制并联电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及电容器组(FC)。其优点是系统无机械触点，响应速度快，系统中的电抗器能够抑制谐波和投切冲击，延长电容使用寿命，并可将无功补偿范围扩大到超前和滞后2个可连续调节的范围，因其具有双向无功调节能力，是一种无功调节的最优方案[7]。由于该系统采用新型电子技术，因而具有良好的通讯功能。

(4)在线监视软件必须具备专家级故障诊断功能以及友好的显示界面，可以根据收集到的各类设备的实时工作参数，分析设备的运行状况，并进行风险评估，以便及时通知检修人员对设备进行相应维护。

(5)变电站所有数据必须能够上传到工业以太网上，统一接口标准，以TCP/IP协议为主，以供监管部门采集相关数据。

(6)需要新增或改造的变压器全部采用非晶合金变压器。由于大多数矿井处于停产整顿和停产保矿期间，变压器利用率很低，采用非晶合金变压器较各类硅钢变压器有以下较为突出的优点：①非晶合金铁芯配电变压器的最大优点是空载损耗值特低、超低的损耗特性、节省电能、用电效率高，对于生产不规律、用电负荷不确定的场合较适用；②非晶铁芯在通过较高频率磁通时，仍具有低铁损及低激磁电流的特性，不致产生铁芯饱和的问题，因而以非晶铁芯制成的非晶合金变压器具有较好的耐谐波能力[8]，矿井采用非晶合金变压器对抗高次谐波非常合适；③运转温度低、绝缘老化慢、变压器使用寿命长；④非晶合金配电变压器的产品都设计成全密封式结构，具有免维护或少维护的优势。

(7)增加应急供电系统。 对于立井提升的高沼矿井和煤与瓦斯突出矿井，一但矿井出现双回路停电，入井人员无法快速撤回地面，通过井筒梯子间撤出大批人员需要较长时间，也不够安全。在矿井外部供电不可靠的地区加设应急供电系统非常必要。因此设计一套柴油发电机及其配套的开关柜、电缆和保护组成的应急供电系统，可在矿井出现供电异常情况时，将应急电源输送至矿井各个需要供电的负荷上，从而保障矿井工作人员安全。发电机容量的选择应能够满足所需保护矿井的通风和副井提升系统安全运行要求，在人员撤出时还能够完成排水任务，其最佳安置位置为就近的变电站，不但可以给不同的矿井供电，满足多用户需要，还可以提高设备的利用率。

3 调度系统改造

要保证电网安全运行，除了确保各站和线路良好运行外，还应合理调度能量分配[9-10]。调度指挥中心在电力系统中发挥“大脑”作用，调度人员根据电力系统当前运行状况和预计的变化趋势进行判断、决策和指挥。目前，公司尚未建立综合调度自动化系统，调度员无法及时掌握系统的运行情况，只能根据现场运行人员的反馈信息进行调度指挥，造成调度时间较长。由于系统陈旧，部分系统还不具备建立工业以太网的功能。各站不具备独立的通讯网络，只能挂靠在各个主体矿井网络上。公司供电系统各站较为分散，上级文件、指令无法及时下传到各站。对此，可以禹州地区和汝州地区为2个基本中心，首先在汝州地区进行组网，形成1个小分级网络，调度本地区；再通过网络上传至禹州地区(本部在禹州)，禹州各站数据直接上传至中心站。汝州各站通过访问因特网上传至汝州中心站，千兆出口接入互联网(图1)。

图1 电网调度系统组网示意

4 电网改造建议

在供电线路上架设线路综合保护器，供电系统中的监控装置对输电线路周边状况及环境参数进行全天候监测，将监测数据通过载波/短程无线电波(可通过单片机控制)传输至各变电站，也可以通过避雷线传输，但终端应装设滤波装置和隔离装置。雷电对上述传输方式危害较大，单片机控制收发系统可以通过线路上各点互为信号中继点，确保输电线路安全运行。输电线路运行过程中的各种状态参数包括绝缘子泄漏电流、脉冲电流、绝缘子串倾角、杆塔倾斜、微气象、导线倾角、导线弧垂、断线(能够判断断线点的距离)等。每隔0.5 km或1 km装设1组功率方向检测系统，该系统基于纵差动保护原理，能够快速判断线路上的各种故障，并可对故障点进行精确定位。针对架空线路经过部分多雷区，由于避雷线无法躲避上行雷，在雷击区域可以安设主动式避雷针。针对各个应用系统，电网软件系统还必须具备的功能为：①故障诊断，通过建立状态模型，根据采集的输电线路状态数据，给出专家型事故评估结论，以便维护人员能够快速查找故障和事故发生原因；②在线预警，根据输电线路的状态参数，发现线路存在的隐患(包括外力侵袭破坏等)，及时发出预警，避免故障发生，并进行预测和趋势分析，为调度中心提供决策信息支持；③状态检修，根据输电线路运行过程中的各类状态信息，并按照设备状态检修导则，进行输电线路状态检修；④风险评估，根据输电通道周边环境信息以及运行状态信息，评价输电线路未来的运行风险。在综合调度自动化建成组网后，利用各条线路上传信息，可建立起本级电网和上级电网之间的输电线路差动保护模型，以便快速判断故障点，确保供电安全可靠(图2)。在线路上每隔0.5 km装设1组电流互感器，故障信息发送至各站，通过因特网传输给电力调度中心，当线路出现故障时，相关人员能够快速定位故障点，及时排除故障。

图2 故障的判断示意

5 结 语

详细分析了许平煤业供电公司矿区电网线路、变电站、调度系统存在的问题，对公司电网整体改造方案进行了设计，取得了良好的实践效果，对于类似矿区电网日常维护以及优化改造有一定的参考价值。