煤矿供电电源不间断供电可靠性技术研究

田旭东，骆建营，闵祥晟

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 兖州 272100）

1 概 述

贵州大方煤业有限公司小屯煤矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井两路35kV电源分别引自110kV新铺变电站和六龙变电站，分属不同电网，不能合环操作，该地区属雷电多发区，受雷击及其它因素影响易引发系统性电压波动，造成非正常停电、电压大幅波动或短时断电的情况屡见不鲜，统计数据如表1所示。现在小屯煤矿供电主要存在以下问题：

1）小屯煤矿地处山区，为雷电多发地段，经常由于雷电原因造成矿井电源停电，从而导致全矿停电；而备用电源不能立即供电，需要将下级开关切除，然后从电源逐级送电，这样停电影响时间大大延长，甚至超过10分钟，给矿井安全带来极大的威胁。

2）两回路电源不能合环操作，切换两路供电电源时，需要全矿停电。

3）井下高压电网采用多段电缆线路构成，线路短、短路电流较大，其首端和末端的短路电流级差不大,往往上下级速断保护同时启动,造成上下级保护同时动作或上级抢先动作而越级跳闸。

小屯煤矿为煤与瓦斯突出矿井，一旦停电很容易造成瓦斯积聚，带来严重的后果，因此，供电电源不间断可靠性技术研究尤为有重要意义。

表1 小屯煤矿全矿停电次数统计

2 研究解决的问题

小屯煤矿的供电运行方式：小屯矿井采用35kV双回路供电，35kV电源Ⅰ回路来自新浦110/35/10kV变电站，Ⅱ回路来自六龙110/35/10kV变电站，35kV两回路供电电源一回路运行，另一回路热备用。矿内设有35/10kV变电所一座，安装了两台主变压器，一台运行，一台备用。35kV变电所接线方式采用全桥接线，变电所35kV、10kV系统主接线采用单母线分段方式。正常情况下，35kV、10kV均合母联并联运行，10kV馈出线带多台高压电动机。如图1所示：

图1 小屯煤矿供电系统示意图

2.1 研究煤矿35kV进线电源的不间断供电

2.1.1 35kV两回路进线电源的串联切换

小屯煤矿35kV变电所尽管有两回路电源，但两路电源来自不同的电网，导致两段母线的电压相位角、频率可能不一致，当正在运行带负荷的一路电源突然失电后，另一路备用电源能够在跳开运行开关前提下快速切换到运行状态，即保证一路电源失电后该段母线所带的负载不失电，同时考虑相位角、频率的问题，防止备用电源送电造成对设备的冲击，保证供电的不间断。

2.1.2 切换的快速性

矿井主要用电负荷为异步电动机，如果切换时间过长，会造成电动机被切除和生产的中断，即使是部分没被切除的重要电动机，由于母线电压已经很低，转速已经严重下降，也会造成生产的中断，而且此时电动机接近停转，恢复供电时所有尚连接在母线上的电动机一起加速，对供电网络的冲击接近于整组自起动。切换的快速性尤为重要。因此，研究适合小屯煤矿供电方式的电源快速切换装置，既满足切换的要求又能满足快速性，保证煤矿供电不受影响。

2.2 研究两台主变压器的人工倒闸并联切换，防止冲击电流的产生

尽管两台变压器的电源是同频的，允许合环操作，即先合上备用变压器电源开关，后跳开工作运行电源开关，但仍需防止合闸时造成过大的冲击。因此，研究变压器的平稳切换，减少对变压器、供电系统的冲击。

2.3 研究变压器的事故切换

当运行的主变压器故障或35kV侧控制开关故障时，能够快速切换到备用变压器，实现不间断供电。

2.4 研究小屯煤矿高低压供电系统的防越级跳闸

煤矿供电系统具有特殊性，其各级变电所的供电线路较短、短路电流较大，通过单纯的保护装置配合，不能有效的控制越级跳闸。

2.4.1 解决10kV高压系统防短路越级跳闸应遵循的原则

1）短路越级跳闸是煤矿高压供电系统固有的问题，无法通过管理手段彻底解决。

2）应该在开关设备自身层面解决，而不应该通过增加辅助系统或其他设备解决。增加系统或辅助设备，必定带来新的故障发生点，同时采用集中控制的方式，有悖于最大可能降低故障影响范围的宗旨。

3）尽量降低解决问题的投入，提高改造后开关设备的性能，减少改造过程的工程量和影响。

4）完全满足《煤矿安全规程》规定和《矿用隔爆型高压配电装置》标准规定的性能指标。

5）系统处理完整，不留盲区和死角。

2.4.2 研究660V低压系统选漏动作准确性及遵循的原则

随着煤矿综合开采业技术的发展，矿井下的机械设备和电气设备逐渐代替了大量的人工作业，自动化程度加强，然而，小屯煤矿低压660V供电系统发生漏电时，经常发生误动或拒动现象，影响生产安全。提高低压系统漏电动作准确性应遵循的原则：

1）当低压供电系统线路出现漏电现象时，应能准确选择地将发生漏电现象的分支线路进行漏电保护动作，切断漏电故障线路电源，防止事故扩大，也防止纵向越级跳闸扩大断电范围，保证其它线路正常运行。

2）系统中，大功率设备的开停、远距离设备的开停、环境温湿度的变化等等，都会引起系统对地分布电容的大幅度变化，从而造成选择性漏电的准确性降低，要能够检测分布电容变化，自动调整动作条件。

3）尽量降低解决问题的投入，提高改造后开关设备的性能，减少改造过程的工程量和影响。

4）完全满足《煤矿安全规程》规定和《矿用防爆低压交流真空馈电开关》标准规定的性能指标。

2.5 研究10kV、660V系统短时电压波动造成的大面积停电

高、低压供电系统在电压波动幅度较大时，容易造成大面积的失压停电。防止失压引起的大面积停电遵循的原则：煤矿的高低压断路器必须保有失压线圈，作为后备保护，要防止雷击、严重短路、系统重合闸造成的煤矿大面积停电，必须让失压线圈在失压时维持一定的时间，以躲过失压瞬间。

3 解决方案

3.1 两回路进线电源快切

经过调研，现在已有技术比较成熟的电源快速切换装置，是专门针对工业企业变电站电源切换的需求，既能解决外部电网“晃电”对企业电网的冲击，又能解决内部电网故障下连续供电的电源快速切换装置，保证了生产的连续性，实现了生产的“零停电”。

在35kV变电所值班室内安装一台快速切换屏柜，在屏柜内安装控制35kV进线电源的快切装置，通过对35kV进线电压、电流以及开入量的采集，用以完成进线电源的事故跳闸时的快速切换，确保矿井35kV供电电源的不间断供电。

正常情况下，35kV母联开关处于合闸状态，当一段进线发生故障时，快切通过保护起动（需要将进线的主保护起动接点接入）方式或者逆功率起动方式起动，快切检测到起动信号后，起动快切，发出跳闸指令，跳掉进线开关，并通过监测失电母线残压的与备用段进线电压进行比较，判断以何种方式合闸。

由于两段进线电源来自不同的系统，导致两段母线正常运行时的电压相角、频率可能不同，所以进线开关跳闸后母线电压的相角可能和备用进线的相角差比较大，可能不满足快速合闸的条件，导致快速合闸不成功（也有可能成功），这样快切就转入同捕合闸，如果同捕合闸不成功，则转入残压合闸。

3.2 主变压器的人工倒闸切换、事故切换

在35kV变电所值班室内已安装的快速切换屏柜内，再安装一台快切装置，用以控制10kV侧进线电源的切换，通过对变压器35kV侧电压、电流以及开入量的采集，来实现的主变压器的切换。可以通过快切装置的正常操作来完成主变压器切换的人工倒闸操作，保证无冲击电流；通过快切装置的事故切换来完成主变压器或主变压器高、低压侧开关故障时的切换，保证矿井10kV侧供电电源的不间断供电。

3.3 10kV高压供电系统防短路越级跳闸方案及原理

3.3.1广播通讯闭锁式防越级跳闸方案的原理

高压防爆开关之间采用越级跳闸信号闭锁，解决井下高压供电系统短路越级跳闸问题。如图2所示，变电所高压开关采用短路越级跳闸信号通信闭锁和零时限速断、后备定时限电流保护配合完成。

1）各开关保护装置能够通过通信信息和结合检测到的短路电流经过的范围确认短路点，当某条线路发生短路时，负载侧直接发生短路的开关自动为最下级而速断，同时发出防止短路越级跳闸闭锁信号，闭锁上级相应开关保护器速断保护功能，确保不产生短路越级跳闸，如果下级开关因故据动，其上级开关逐级根据设定的越级跳闸时间动作。

2）防止下级开关负载侧发生较大的短路电流超过该开关的分断能力，根据负荷情况设置后备定时限电流保护来确保开关的可靠动作，最大限度保障供电安全。

图2 广播通讯闭锁式防越级跳闸示意图

3.3.2小屯煤矿的10kV高压供电系统防短路越级跳闸方式

在35kV变电所内安装一台通讯管理机用于管理各保护之间的闭锁，下井的两台10kV一般型高压出线柜采用YK-2000/2400系列微机综合保护装置，将装置的以太网口用网线连入通讯管理机的以太网电口。

将井下变电所、配电点的隔爆型高压真空配电装置的原保护装置更换为具有短路越级跳闸闭锁功能的PIR-8110GX2400型高压微机智能综合保护装置，将更换好的装置CAN口互联，同时将两台总开关的光口经隔爆型光纤端子引入地面的通讯管理机的光口。形成35kV下井10kV柜、采区变电所、各车场配电点的三级闭锁，有效的杜绝越级跳闸。

3.4 小屯煤矿井下660V低压供电系统选漏方案

将井下采区变电所、七号联变电所所内的低压馈电开关的保护更换为PIR-8210K2400低压微机智能综合保护装置，该保护装置具备以下功能：(1)定时检测本系统内的分布电容，并自动调整动作条件，使开关始终处于最佳漏电动作状态；(2)避免人工调整的误差和疏忽。通过保护装置的更换，660V低压供电系统的选漏准确性提高，保证了低压系统的供电安全。

3.5 井下高、低压系统防止短时失压造成大面积停电

3.5.1防止短时失压造成大面积停电的原理简介

由于现有的开关保护装置的采用了智能微机保护装置，在一般情况下上下级开关通过正确整定和计算，很大程度上避免了短路越级跳闸的发生，而高压供电系统短时失压造成系统大面积跳闸事故时有发生，短时失压的情况一般有开关近端短路、雷击、供电系统中备用电源的自动切换等。解决方案如下：

首先，系统失压时要保证保护装置正常工作，采用了储能电源来解决保护装置在失压时能够正常工作5秒左右（通过外加储能元件可以再延长工作时间），保证了在供电系统失压时，所有保护功能正常可靠。其次，防止开关在短时失压时跳闸，在开关中加装电源蓄能模块，经保护装置控制接点并接到弹簧机构高爆开关的失压线圈或永磁机构高爆开关的永磁机构控制器电源两端。高爆开关上电，保护装置接点闭合，失压线圈吸合（弹簧机构高爆开关）工作的同时，电源蓄能模块充电；当母线失压时，电源蓄能模块向失压线圈（弹簧机构高爆开关）放电，保持失压线圈（弹簧机构高爆开关）吸合正常工作，开关不因短时失压而跳闸。蓄能装置的能量可以保持失压线圈（弹簧机构高爆开关）正常工作5秒，可以通过在智能保护器上设置失压保护动作时间实现开关失压保护。

3.5.2 小屯煤矿解决短时失压造成大面积停电的方案

在井下采区变电所、配电点每台隔爆型高压配电装置内安装储能模块8110R5，在每台低压真空馈电开关内安装储能模块8210R5。通过储能模块的安装实现能够延时5秒左右。即：①高爆开关上电，保护装置接点闭合、失压线圈吸合同时，8110R5电源蓄能模块充电；当母线失压时，模块向失压线圈放电，保持失压线圈吸合状态,开关不因短时失压跳闸。8110R5电源蓄能模块的能量至少保持失压线圈吸合5秒。②低爆开关上电，保护装置接点闭合、失压线圈吸合同时，8210R5电源蓄能模块充电；当母线失压时，模块向失压线圈放电，保持失压线圈吸合状态,开关不因短时失压跳闸。8210R5电源蓄能模块的能量至少保持失压线圈吸合5秒。③可以通过在保护器上设置失压保护动作时间实现开关失压保护；同时，保护装置失效时，储能模块切除，失压线圈短路时瞬动，承担后备保护。

4 结论

通过小屯煤矿供电电源不间断供电可靠性技术研究，能够解决小屯煤矿35kV两回路进线电源的事故切换、两台主变压器的人工倒闸切换带来的电流冲击和变压器的事故切换、10kV井下供电系统的防短路越级跳闸、660V低压供电系统选漏的准确行可靠性、井下高低压供电设备由于短时失电造成大面积停电等问题，实现了小屯煤矿供电电源的不间断供电，具备以下经济和社会效益：①保证了煤矿供电的安全性、可靠性，特别是在本地区供电稳定性差的情况下，实现了不间断供电。②在本地区具备示范作用，为其他煤矿的供电安全提供了有效的依据。③在人员素质相对较低、人员配置相对较少的状况下，为实现供电的安全管理提供了可靠的保障。④为实现变电所的无人值守奠定了基础，节约了大量人力、物力，具备特别高的经济效益。