分析煤矿供电系统和电气设备的保护

2023-01-02张浩赵曰铭

中国设备工程 2022年2期

张浩，赵曰铭

（枣庄矿业（集团）有限责任公司供电工程处，山东枣庄 277011）

我国的采矿工业取得了长足进步与发展，但从现阶段我国采矿现场情况来看，仍存在一些威胁电气设备及供电系统的问题，给采矿的正常工作带来一定影响。受自然条件的影响，我国的绝大多数煤矿属于井工煤矿，矿井属于复杂、特殊、危险的地下环境，气体危害、水害、地质危害长期存在，煤矿采用的供电系统必须配置一级负荷电源设备，保证供电系统可靠性，必须满足电源双回路供电不间断、长时间满载运行、短时间过载冗余的条件，分析煤矿的电气系统安全，必须关注操作人员的安全，也要重视电气设备的安全。

1 做好煤矿电气设备和供电系统保护的意义

1.1 减少火灾发生

因电气故障引发的火灾往往会引发较大煤矿事故。煤矿的作业过程引发火灾的因素较多，常见原因包括：电源、设备间的短路；设备长时间运行导致设备温度异常；设备线夹接触不良、绝缘不足导致电火花、电弧点燃瓦斯、煤尘等。煤矿作业过程中，电气设备的电压等级、额定容量要选择正确，保护装置的灵敏性要设置合理，工作人员要加强设备巡视及维护，避免短路及严重过偏载的发生，降低电气火灾发生的条件。

1.2 降低漏电发生的概率

漏电具有隐蔽性，是煤矿作业人员面临的严重电气危害，导致漏电的原因有两种：第一，矿井作业的地下环境十分潮湿，电气设备因为长期运行在空气湿度大的环境中，其绝缘性能衰减较快，极易发生漏电现象，从而对电气设备性能及使用安全造成直接影响。第二，矿井的浅井供电系统、深井供电系统都存在大量的高压电缆、低压配电线，在长期的运行过程中，会因为煤块、岩石的外部侵害，造成线路绝缘薄弱点，该薄弱点隐蔽且易发生绝缘击穿事故。针对这一问题，故障人员要在安装漏电保护及在线监测装置的基础上，加强高压电缆路径的巡视及日常监测，实现漏电隐患的预防及合理管控。

1.3 减少过流情况的发生

煤矿深井供电系统为驱动大功率设备，其入井电压一般在6～10kV范围内，这些设备中的电流因操作不当或负荷过大而超出额定电流，则容易引起电流超载。如果实际电流数倍于额定电流，轻则缩短电气设备使用寿命，重则引发电气火灾，威胁井内安全。工作人员严密监视供电系统中的负荷电流值变化，做好应急预案，一旦出现紧急情况，果断采取措施，防止事故范围扩大。

2 我国煤矿电气设备保护现状及重要保护内容

2.1 高压防爆配电装置的电气保护

煤矿开采恶劣的外部环境，向采用的配电设备性能提出更高要求。当前，煤矿井下多采用隔爆、永磁、真空为技术特征的专用高压配电装置。这种高压真空装置适用于甲烷、煤尘等混合气体介质中，其主要功能、特点表现在：永磁机构采用双稳态线圈，动作可靠，维护简单；快开门机芯操作简单，主回路电阻小；采用微电脑综合保护，实时显示，保护完善，具备记忆功能；具备现代化远程控制的网络通信能力。

另外，基于振动信号监测的高压振动断路器应用推广较为迅速，通过断路器故障信号的采集、提取、识别，不仅能够确保断路器的动作的准确、可靠，还能够进一步实现合闸、分闸的在线监测，提升了供电系统的灵敏性与稳定性，极大地提升了供电系统的安全稳定。

2.2 低压电气设备的电气保护

煤矿低压电气设备涉及生产、生活、照明用电，现阶段装配微电脑、PLC芯片的配电总开关、分支总开关以高精度、高灵敏、高整合的特点得以大量使用，这类设备数据处理能力高，反应灵敏速度快，故障判别准确，能有效完成漏电联锁、漏电保护、选择保护、失压、过电压、偏载、过负荷、瓦斯保护等综合保护。而电磁启动器一般设置在电路开关位置，用以控制电机启动，并与其他主保护相互配合，形成过负荷、低电压、短路保护共同作用的条件。

2.3 漏电保护与过流保护

分析煤矿电气设备的保护必须立足煤矿单位现实的生产环境，危险的井下环境、凌乱的设备布局、严峻的生产任务使得漏电保护与过流保护成为煤矿主要两种保护形式。一方面，因矿井环境复杂，电气设备的绝缘性能易衰减、绝缘层易破损、绝缘材料易老化，这就导致漏电时有发生，其产生的电火花易引爆矿井内的混合气体介质，完备的漏电保护措施是电气设备安全的生命线。另一方面，矿井用电规模的不断扩大与设备的不断接入，矿井供电设备体系平衡被打破，易出现过载、短路情况出现，这会造成线路大电流的出现，加速设备老化，引发设备过热，产生电气火灾，做好过流保护措施是电气设备安全的重要内容。

3 供电系统及电气设备保护作业中存在的问题

3.1 线路与电气设备保护存在的问题

供电线路是矿井电能输送基础，供电出现问题不仅会直接影响供电系统的有效运转，还会因为无用功率、电能质量的原因影响系统工作效率，而线路的老化、绝缘破损、发热等安全隐患危害较大，需要加强日常管理。而电气设备是实现供电系统各项功能的根本，矿井内阴暗且湿度可达90%以上，并混有大量易燃易爆腐蚀性气体，在降低电器设备元件使用寿命同时，易引发设备故障。现阶段，矿井内电气设备继电保护还存在保护装置灵敏度差、继电保护体系不完善、保护设置等问题，导致因保护失效、失控问题而产生的电气设备事故屡有发生。

3.2 供电系统存在超负荷供电现象

近年来，随着各煤矿企业生产潜力的不断深挖，矿井内电气设备的规模不断扩大，设备总功率也在不断提升，矿井供电系统超负荷运转常有发生，供电系统超负荷运转不仅是负荷超出设计范围，设备使用也超出规定范围。部分矿井所安装的变压器、开关、供电线路、电缆、绝缘器材超限使用、超期运行、老化严重现象屡禁不止，有的矿井为节约生产成本，电气设备的更新、设备保养、系统扩容严重滞后。这导致电气设备故障率久高不下，工作人员日常检修任务繁重，给供电系统运行安全留下了隐患。

3.3 继电器存在越级跳闸现象

当前，因为矿井的继电保护值往往以采矿区最远负荷为测量、计算、整定数值基础，再由此按照整定原则向整条线路、变电所进行逐级计算，通常以线路最远端短路故障电流值设定电流速断保护，以整条线路最大负荷设定过流保护整定值。而在作业现场，因速断整定值过小，在系统发生短路后，多条分支电路速断同时动作，继电器缺失去选择性，不能区分定值、保护值，因此引发越级跳闸现象，造成大范围停电。

4 煤矿供电系统及电气设备保护优化措施

4.1 优化矿用供电系统电气设备修程修制

考虑到矿井供电设备的运行环境，特殊的用电负荷分级，特定的电气设备使用，其在工作现场受到复杂因素的影响，经常会出现或大或小的设备故障或缺陷，如果发生的故障没有及时排除，排查的缺陷没有及时处理，系统长期带病运行、带隐患运行，小故障就会累积成大故障，小事故就会演变成大事故，从而造成供电系统的安全性、稳定性不足。因此，煤矿企业要优化矿用电气设备修程修制结构，创新检修方式，集中检修资源，严格检修作业标准，实现矿用供电设备“状态维修、寿命管理、精准监测”的总体维修策略。煤矿供电设备修程修制除严格检修制度、检修标准、检修步骤外，还应规定相关工作人员的培训策略，以提升操作人员技能水平及安全责任心，提高煤矿供电“软实力”。

4.2 加快供电设备自动化的应用

近几年，我国电力技术发展突飞猛进，大批新技术、新设备应用于各环境下的电力供应中，矿井供电系统呈现智能化、自动化演进；电气设备向集中型、智能型优化；电气保护向微机化、综合化发展的总体趋势。在矿井综合考虑供电系统的自动化、智能化安装，一方面，可以减少人为误操作带来的设备故障，减少用工成本；另一方面；可以提高供电设备的安全监测。但实现煤矿供电设备的智能化、自动化，要综合考虑企业长期发展及电气人才的技术能力，只有符合企业长期发展、统筹企业人力资源、适应生产需求的情况下，电气系统的智能化、自动化才能发挥最大作用。