煤矿井下机械供电设备可靠性优化设计

杨定宙

（山西西山矿业管理有限公司，太原 030053）

0 引言

煤矿矿井通常是在复杂环境条件下布设的，且井间设备分散，距离较远。为控制成本，大多数煤矿矿井在采用机械供电设备的时候通常采用单线供电，单根电线串联起井下所有机械设备，显然就会存在负荷较大、抗风险能力较小、分布电流较大、串联环境复杂等问题。且这些单根电线在井下呈辐射状分布，连接的距离很短，而井下使用的机械供电设备数量多时，就会导致井下经常发生跳闸事故，降低煤矿采集效率的同时，也增加了井下工作人员的安全隐患，若发生火灾等事故，后果将不堪设想。为了控制矿井布设的成本，也为了提升矿井用电安全性，有学者提出使用补偿装置[1]，用来补偿井下单根电线串联供电时电压不足的问题，补偿装置中最常使用的是投切无功补偿装置。但该装置目前为止仍存在一定的技术问题，使用时容易导致电压过量，同样存在安全隐患。于是基于相控投切技术的供电方式应运而生，多位学者研究表明，该供电方式可以有效保障井下用电的稳定性[2-4]。

1 煤矿企业供电基本需求

煤矿企业供电的基本需求包括安全性、可靠性、合理性、经济性[5]。放在首位的是安全性，首先要严格遵守《煤矿安全规程》中的相关规定，此外还要采取的措施有防潮、防虫、防触电等，保障采矿过程中的供电安全；其次是可靠性，在采矿过程中能够可靠满足用电需求，保证安全生产；然后是合理性，即矿井采用的供电技术的电压、谱波成分需完全满足技术要求，并且安全可靠；最后是经济性，在满足安全性、可靠性、合理性的前提条件下，应尽可能降低电能的浪费，减少耗电程度，以此来控制成本从而增加企业效益。

2 对矿井供电系统进行可靠性技术优化的意义

1）煤矿发展的必然要求。科技发展迅速，影响广泛，煤矿采集方面也不例外。随着信息化时代的到来，煤矿采集工作的自动化、信息化也日渐增加，随之而来的就是煤矿采集机械设备使用的电力需求的增加，自然就对供电设备的安全性、可靠性、合理性、经济性提出了越来越高的要求[6]。针对这些要求，各煤炭公司也做出了相应的技术改进，但仍存在各种各样的问题，比如改进不彻底、不全面、运行方式不合理，缺少评估系统、缺少全面性、安全保护不到位等。这就需要我们提出一种全面、可靠、安全、彻底、合理、具备评估系统的供电方式。

2）煤矿体制改革的需要。与过去相比，目前的煤矿供电系统管理有着翻天覆地的变化，各煤矿企业对其内部的问题进行了改进、重组、改制，并将其生产责任外包，由多家公司进行集体管理或分部分管理，责权下放，责权到人，打破传统的一家统一、一家管理的局面，提高了煤矿供电系统管理的效率和安全性。

3）实现安全型矿井目标的需要。矿井工作人员的安全问题必须得到重视，这是矿井工作的首要目标。所以，安全的供电方式就必须得到重视。只有改良线路、完善电力系统、提高安全水平，才能为矿井生产工作提供最基本的安全保障。

3 煤矿井下机械供电设备常见的问题

3.1 继电保护配合问题

全机械化、自动化背景下的矿井工作模式，供电系统尤为重要。供电系统中的安全性、供电系统的可靠性都将直接影响煤矿的正常生产和有效运行，因此，需要有同样可靠的监控设备对供电系统的运行状态进行监视，也需要有同样可靠的保护设备对供电系统的运行状态进行保护。其中，最重要的措施就是继电保护。传统供电系统通常有线路较短、负荷较大、线路较多、线路较复杂等特点，这为矿井实际工作中的继电保护造成了一定程度上的约束，使其不能完全等同于其他供电系统中的整定一致原则，在具体的矿井工作中需要对其进行具体考虑。

3.2 谐波电流问题

在矿井的布线工作中不可避免地采用一些较高性能的开关元件。虽然电力电子技术在这些年来得到了不断的发展和应用，但是这些开关元件在矿井应用中仍会产生大量谐波。在矿井使用中这些大量谐波会直接影响到井下电气设备的正常运行，给井下工作带来一定程度上的安全隐患，包括如通信交流等方面。同时，部分矿井会采用四象限变流技术对电动机进行调速，该类技术通常会加大高次谐波的产生，导致莫名故障的产生，例如电动机绝缘部分有损坏、电缆接头处出现意外事故等[7]。同时会导致加大电气设备损耗、降低电气设备效率等，也会在一定程度上威胁工作人员的人身安全。所以需要采取一定措施来消除谐波的干扰，这样才能减少其对电气设备的影响和降低对人员安全的威胁。

3.3 系统发生谐振问题

矿井下的供电系统通常采用中性点接地的方式。使用6 kV母线，外加电压互感器TV的绑定，通过采用消谐器使矿井系统中性点达到接地效果。当供电系统运行正常时，电压互感器中通常会在一定程度上产生较大的励磁阻抗，但三相仍然能够保持基本的平衡状态，保障了中性点处没有很大的位移电压的产生[8]。但在某些特殊时刻，例如系统刚解除接地故障时，位于电压互感器中的铁芯容易在瞬间产生较小的励磁阻抗，然后产生较大的电压，较大电压的产生会引起一些设备之间振荡回路的产生，于是就会在一定程度上引发谐波过电压的现象[9]。一旦出现该类现象，极大的电压就会导致电气设备的绝缘部分受到损害，甚至可能导致设备烧毁。此外，电压互感器中存在的过度饱和的铁芯，也会导致保险丝熔断现象和损毁电压互感器的现象。而此时的电压保护器也会受到过度电压的影响，导致错保护现象的发生。

3.4 井下供电系统长距离控制问题

大型煤矿在进行综合采矿工作时，其工作使用的电力负荷较大，而采用单线供电的方式很容易导致供电线路的压力突然间增大，然后出现启动困难、突然断电等情况，影响矿井工作。

4 煤矿供电系统无功率补偿装置的工作原理

矿井下配置的供电设备通常情况下分为有功功率运行状态和无功功率运行状态两种不同的运行方式。有功功率提供系统正常运行所需的电力，无功功率提供系统中用电设备自身磁场产生所需的电力。有功功率对于供电系统来说是正常的，而无功功率对于供电系统来说无疑增加了其电力的损耗程度，以及设备的损耗。无功功率也会降低矿井供电系统中供给电流的稳定性、供给电能的质量，而且这类影响通常都非常严重。简单来说，就是供电系统在正常运行工作中，供电系统中所有的用电设备会从供电电网上获得电压来完成自身的正常运行，这类电压的获取即为有功功率。但是供电系统中的用电设备除了需要获得满足自身正常运行的电压之外，还要获得可以满足自己建立电磁场的额外电压[10]。这类额外电压称为无功功率。当供电电网无法提供系统所需的额外电压时，整个供电系统中的用电设备就无法建立自身电磁场，导致供电系统无法正常工作，也会严重损害用电设备自身的寿命和安全性。目前，使用无功功率的补偿装置可以有效实现对无功功率的补偿，使供电电网可以满足系统所需的额外电压。此时，设供电系统所需要的所有的无功功率为P，设供电系统所使用的无功功率补偿装置容量为Qc，设供电系统中的用电设备所消耗的所有无功功率为Q，设供电系统的总线路长度为S，则供电系统内所用用电设备导致的功率损耗公式如式（1）所示[11]：

式中：R为供电系统中的用电设备电阻；X为供电系统中的用电设备阻抗；U为供电设备电压。

系统中建立补偿装置后，可以有效地降低整个供电系统正常运行时的功率损耗，而且也减少了供电电网所需要供给的无功功率的压力，减压后的供电电网的稳定性可以得到明显提升，可以帮助整个供电系统的工作效率得到进一步提高。

供电设备电压损耗计算公式为

可以看出，使用无功功率补偿装置进行电压补偿工作之后，不仅可以降低整体的供电系统的电压的损耗，而且可以使供电的环境更加稳定，供电的质量也更加优良，保证了工作运行效率，也保障了井下工作用电的稳定性和安全性。

5 新型相控投切技术工作基本原理

井下的电气机械设备在进行工作时会产生两种信号：一种是电压信号，一种是电流信号。两者间存在相位角度。在相位角度最优时开启开关或关闭开关，对于井下用电的消耗程度十分友好，不仅可以保障用电稳定性、高效性，还可以降低用电成本[12]，减少对煤矿供电设备的损耗，该技术即为现在发展迅速的相控投切技术，图1为该技术的工作原理图。

图1 相控开关工作原理示意图

6 供电设备相控投切无功功率补偿结构设计

在整个供电系统中通常会有多个用电设备需要进行电力供给工作，而这样的多用电设备环境会存在很多的非线性电压冲击，非线性电压冲击通常也是导致供电稳定性较差的原因之一[13]。故设计一种新的电容器组件结构，使得非线性电压冲击量有效减少。高压开关过零点处的电容器组合结构作为一种新型结构形式，在设备的无功补偿工作过程中具有较高的可靠性，且使用方便、维护成本低。

该类新的电容器组件结构适用于目前大多数设备，可以用在6000 V的供电设备中，采用的设计原理可以简单描述为：设置两个检测单元，一个检测单元专门用于对供电系统中自身的无功功率供给进行检测，另一个检测单元专门用于对无功功率补偿装置进行检测，然后将检测结果综合汇总到控制中心，实现分而治之的动态监测。具体的监测系统设计有五大模块，分别是：DSP/CPLD中心控制模块、驱动模块、检验控制模块、信息传输模块、执行模块。

1）DSP/CPLD中心控制模块。DSP/CPLD中心控制模块是核心，负责供电系统中其余各个自模块的信息统计与分析，根据各个模块的运行状态以及用户需求发出具体指令，保障整个供电系统的运行效率以及井下各机械自动化用电设备的持续运行。

2）驱动模块。在DSP/CPLD中心控制模块发出具体指令后，驱动模块负责获得该指令并对该指令进行解析，实现开关控制操作。

3）检验控制模块。检验控制模块负责检验整个供电系统的运行状况，该模块通过对无功补偿系统进行持续不断的检验，对电流信号进行持续不断的检验，以保障供电的稳定性和安全性。该模块将检验结果发送至DSP/CPLD中心控制模块，实现对供电系统工作效果的控制。

4）信息传输模块。信号传输模块使用CAN总线模块进行供电系统中各类信号的传输。该模块负责将检验控制模块中的检验信号传输到DSP/CPLD中心控制模块中，也负责将DSP/CPLD中心控制模块中的指令传输到其他各个子模块中。要实现该模块的具体能力，那么就需要考虑该模块的数据传输功能、抗干扰功能。

5）执行模块。执行模块是供电系统中的具体执行机构，包括控制开关、熔断器等。具体的熔断器的主要结构及其内容形式如图2所示。

图2 具有永磁结构的高压开关在控制信号的过零点处投切的电容器组结构

7 井下供电系统必须严格落实和实施的措施

1）统一使用聚乙烯交联电缆，该类电缆具有高绝缘性，寿命较长，维护成本低，可以提高使用安全性以降低事故发生率。在进行电缆管理时，需要制定规范的管理制度，以保障供电安全。

2）统一使用干式变压器。严禁使用油浸变压器和油断路器。油浸变压器和油断路器绝缘程度较低，容易引发爆炸。干式变压器绝缘程度高、质量可靠，具有完善的功能，可以有效避免爆炸事故的发生。为了保障供电安全性和人员的人身安全，采用干式变压器非常必要。

3）井下配备有多种类型的配电系统时，应当具体明显地标注各类配电系统的电压额定值。

4）注意配电系统图的完整性。对于有变化的配电系统应及时更新配电系统图，使用变压器、电动机等的需要在配电系统图上进行明确标注。同时应注意配电系统图的制作规范性。

5）注意电气设备的验收程序。所有要使用的电气设备都需要经过相关部门的检验验收。

6）注意防爆设备的合格性，下井前需严格检查防爆设备的手续完整性，是否具备合格证书等。

7）注意检验维护工作的专业性。所有电气设备的检验工作和维护工作都应该由专业人员处理。

8 结语

通过对实验计算的结果进行统计分析发现，对供电系统的无功功率补偿性提升效果最大的方式是使用高电压控制开关，该类高电压控制开关需要采用永磁结构，并且安装在零点投切处。该设计方法有效地提高了井下供电系统的整体供电稳定性和可靠性，减少了实际供电工作中的不稳定性，很大程度上解决了过去井下工作用电时的断断续续以及安全隐患。此外，该设计方法还有更多的效益，例如可以有效提升煤矿行业的经济效益和安全性，促进煤矿行业的快速发展。