煤矿地面变电所供电系统电气设计

闫红燕

（同煤集团燕子山矿，山西大同 037003）

0 引言

我国是煤炭资源大国，近些年来，随着生产技术的进步，煤矿机电设备改革换代，煤炭的产量翻倍增长，但是煤矿的生产结构也发生了巨大变化，生产和安全之间出现了一些不协调的地方[1-2]。煤矿供电系统作为煤炭生产的重要环节，是保证煤矿系统运行安全的前提与基础，但也是煤矿的一个薄弱环节，所以对煤矿的供电系统进行研究是有重要意义的[3-4]。本文将对煤矿地面变电所的电气部分进行分析设计。

1 煤矿变电所总体方案设计

变电所主要由主变压器、室内外配电装置和主控室等部分组成[5]。煤矿井口的大功率机电设备，如主、副井的提升设备、矿井通风机设备等，由地面变电所用6 kV高压直接供电。选煤厂、机修厂与工人居住区等也通过地面变电所直接供送6 kV高压电。

煤矿地面变电所是整个煤矿供电系统的重要枢纽，它主要负责煤矿地面与井下的受电、变电和配电任务[6]。地面变电所的位置一般设置在工业广场内，具体地址确定需要考虑以下几个因素：与主要负荷设备距离较短，减少导线长度，降低损耗；避开煤田、滑坡与采空区上方，选择适宜的地形；交通便利，方便设备运输；避开空气污秽区域，设置在主导风的上风处。

2 煤矿地面变电所主线路设计

煤矿地面变电所的主线路包括35 kV高压受电线路、6 kV高压配电线路与380 V低压供电线路及供电电路，本节将分别对这3种电气线路进行研究设计。

2.1 35 kV高压受电线路

煤矿地面变电所的电压来源为35 kV高压电，采用双电源回路的方式进行供电，在电源进线端，采用带有接地刀闸的隔离开关控制线路的导通与关闭。当对高压受电线路检修时，可断开隔离开关工作刀闸，合上接地刀闸，切断电源线路，保证检修过程中电源断路器不会重新合闸送电，保护检修人员的安全。35 kV高压受电线路如图1所示。

35 kV高压受电线路的母线采用高压真空断路器作为联络开关。因为断路器具有一定的灭弧能力，在正常工况下，可接通或断开负荷电流的高压线路，在发生短路等故障时，可切断短路线路，保障供电系统安全。本方案在35 kV受电线路的母线上安装了FZ型避雷器，避免了雷雨天气时，感应雷对电气设备的损害，同时在母线两侧安装了电压互感器TV，为传感器设备提供测量和保护信号。

2.2 6 kV高压配电线路

图1 35 kV高压受电线路设计

6 kV高压配电线路为单母线结构，变电所的主变压器T1与T2将35 kV电压源降为6 kV，通过断路器与隔离开关分别引到母线的两端。母线分段处设置有联络开关，各段母线两端设有电压互感器TV，向测量、保护和监视等装置供电。为了提高电力负荷的功率因数，在两端6 kV母线上集中设置场补充电容器和相应的三相电压互感器。为防止架空线路感应雷入侵，在两端母线上集中设置了FB型避雷器，与避雷器共设于一个配电柜的还有电压互感器TV和两个绕组，其中一个绕组提供电气测量信号，另一个绕组向变电所监视装置和接地保护装置提供零序信号。6 kV高压配电线路如图2所示。

图2 6 kV高压配电线路设计

2.3 380/220 V低压供电线路

矿井地面低压动力及照明用电部分为380/220 V低压用电单元，本方案的低压动力变压器也设置为2台，同时向地面小容量设备供电。380/220 V低压供电线路如图3所示，供电系统通过T3与T4变压器将6 kV高压转换为380/220 V低压，向照明和单相低压动力源供电。母线分为两段，利用隔离开关做两段母线的联络开关，重要的一、二级电力负荷分别接在两段母线上，形成双回路供电方式，图中虚线部分为零线N。对容量较大的负荷可单独使用一台低压电柜，容量较小的负荷，可合用一台低压配电柜。其低压的主接线，都由通用型的低压配电盘组成。

图3 380/220 V低压供电线路设计

3 变电所保护单元的分析与设计

煤矿地面变电所供电系统在运行过程中会出现一些故障和问题，常见的主要故障为变电所接地短路，变压器或电动机绕组短路等。本节将针对继电保护装置与漏电保护装置进行分析与设计[7-8]。

3.1 继电保护

当变电所供电系统发生故障时，继电保护装置通过检测到的电流或电压信号，自动借助断路器将故障线路切除于供电系统，避免电气元件受到损害。不同故障，检测的参数也不同，因此继电保护装置也有相应的几种类型：当供电系统线路短接时，利用电流突然增大的特征，可实现电流继电保护；当供电系统发生欠电压故障时，利用电压降低的特征，可实现系统的低压继电保护；供电系统电路老化时，利用电压与电流比值的变化，可实现系统的阻抗继电保护；利用电流和电压之间关系的变化，可实现系统的方向继电保护和差动继电保护等等。

继电保护装置主要由测量部分、逻辑部分与执行部分组成，其原理图如图4所示。测量部分负责比较整定值与被保护对象的实测值，判断系统是否需要保护，逻辑部分分析处理测量部分检测到的数据，根据计算结果，按照一定的逻辑关系向执行部分输出信号，做出一系列的保护动作，或者发出警报信号和跳闸信号等。

图4 继电保护原理图

3.2 漏电保护

变电所的供电系统中，当某一线路对地的绝缘电阻值降低时，经过该路径的电流会增大，当增大到一定程度后，变电所供电系统就发生了漏电故障。漏电保护装置的主要工作原理就是通过检测变电所供电系统对地绝缘阻值的大小，判断系统是否发生漏电故障，当确认漏电后，保护装置切断电源回路，防止电气元件损坏，保护附近工作人员的人身安全。

本文主要采用附加直流电源保护的原理实现漏电保护功能，其原理图如图5所示。当变电所的供电系统发生漏电故障，最容易检测的是对地的绝缘电阻下降，在三相对地的绝缘电阻上将直流电源导通，该线路电流大小的变化将反映对地绝缘电阻的变化，有效地检测和处理这个电流就可实现漏电保护功能。电流和电阻的计算公式分别如下所示：

式中：U为附加直流电源的电压，V；RSK、RLK、RkΩ、RKD与RE分别为三相电抗器线圈的电阻值、零序电抗器的电阻值、千欧表测量的电阻值、继电器线圈的电阻值与回路中大地的电阻值，Ω；RΣ为三相电网相对地的绝缘电阻。

图5 附加直流电源的保护原理图

4 结束语

本文针对煤矿地面变电所提出了一种电气设计方案，分别对变电所的主线路与保护单元进行了研究设计，该方案具有较好的可行性，提高了变电所电能的利用率，降低了电能在运送过程中的损耗，整体的安全性得到了较好的保障。