矿井智能化供电系统分析

盖森亮 杨国华 韩文康

摘要：矿井智能化供电系统是煤矿企业进行采掘生产的重要动力能源，也是保证井下作业安全、稳定的重要照明设施。为进一步提升矿井智能化供电系统运行的可靠性与安全性，煤矿企业必须做好矿井的日常供电维护工作。现阶段，较常见的矿井供电系统故障为保护误动作、越级跳闸等，对此，需要实现对智能供电系统的全程监控。本文首先介绍矿井智能化供电系统自动保护装置的工作原理，其次结合矿井日常供电保护作业中出现的故障问题，提出供电系统稳定性的保护措施，以供参考。

关键词：矿井；智能化；供电系统；措施

DOI：10.12433/zgkjtz.20240140

随着科学技术的日新月异，矿井生产作业正逐渐向信息化、自动化方向发展。随着大量机械设备的投入使用，矿井供电系统线路变得愈发复杂。同时，随着社会发展进程的加快，人们对煤矿资源的需求量日益增加，也使得矿井电网的铺设规模逐渐扩大、矿井供电距离越来越长。在此背景下，矿井智能化供电系统的运行可靠性和安全性显得尤为重要。在当前的矿区，由于供电级数较多，单纯依靠以往过流定值增加时间来延长供电级差，难免会出现供电线路越级跳闸的现象。目前，煤矿企业井下作业区域所使用的高低压智能供电系统，存在保护装置型号不统一的问题，使得各类通讯规约不一致，造成变电所无法实现对高低压智能化系统的全程集中监控。因此，本文结合当下煤矿企业的现状，详细研究分析矿井智能化供电系统的安全生产建设成果。

一、矿井智能化供电系统工作原理分析

随着科学技术水平的提升，市场上智能化、自动化继电器的类型越来越多，功能组织大致相似，包括信号输入、测量分析、逻辑判断三个主要部分。其中，信号输入主要用于供电系统中的电路信号，将处理完成后的电路信号安全输送到继电器保护装置的相关部件中；测量分析主要用来设定继电器预先运行参数，然后将系统实际所测数值与预先设定好的数值进行参数比对；逻辑判断则根据测量比对的参数结果，基于科学合理、严谨缜密的逻辑判断原则，对供电系统控制执行部件发出动作执行指令。当矿井供电系统出现运行故障时，供电系统的自动保护装置会第一时间向外发出报警提示，同时发出跳闸指令，并将该指令瞬间传达至故障部件，完成系统自动切断故障点的动作。在矿井日常生产作业中，常将继电器当作供电系统自动保护装置使用，该设备灵敏度非常高，能第一时间发出报警提示，并迅速采取切断指令，从而有效隔离系统故障点，将供电系统故障带来的经济损失降至最低。

二、常见矿井供电系统故障问题

（一）铺设供电系统电网过程中存在的问题

首先，在铺设矿井供电系统电网之初，未能从长远发展角度出发，综合考虑未来是否需要增加新的生产机械设备。同时，在采购变压器时，可能未严格按照线网设计需求匹配相应的变压器，导致供电系统正式投入运行之后经常出现电压不稳、超负荷运转等不良现象，电网线路长时间处于高温运行状态，严重时还会烧毁系统的电气设备。其次，存在用电设备接入不合规的问题。在矿井搭建供电系统时，未充分考虑高压开关的实际承载能力，将采煤机、破碎机、运输机等大功率机械设备接入同一个供电高压开关上，导致供电系统局部线路经常出现超负荷输电现象。

（二）供电系统常见超负荷运载现象

首先，随着人们对矿产能效需求的不断提高，为提高矿井生产作业效率，煤矿企业不断引入先进的采掘机械设备，导致矿井机械设备数量猛增，同时由于设备的运行功率普遍较大，使得矿井的整体供电系统长时间处于超负荷运行状态。其次，长时间高速运转势必会造成变压器、绝缘子、供电线路出现老化问题，部分设备甚至已超限使用。少数的煤矿企业为节省采掘成本，继续使用超限设备进行生产，导致供电系统中的电气设备频频发生运行故障，增加电气设备维修技术人员的作业量，也为矿井正常供电系统的稳定运行埋下了重大事故安全隐患。

（三）继电器常发越级跳闸现象

通常情况下，矿井通过预测测定、测量分析等手段，确定煤矿采掘区变电所最远端的电压负荷量，然后以此处为起点，逐级向采掘区变电所进行扩散计算，计算通常以整个供电系统的最大作业负荷功率为基础，并设定系统的过流保护定值参数。然后，依据变电所最远端发生电路短路故障时测出的电流值，设定整个供电系统的速断保护值参数。但在矿井实际生产采掘作业中，经常出现速断保护整定值设置过小的问题，导致供电系统发生线路短路故障后，速断保护同步动作，使继电器瞬间丧失选择性，无法第一时间有效区别出供电系统的实际速断保护定值，导致继电器越级跳闸故障频繁发生。此外，在较为封闭的矿井内空间中，空气对流性较差，容易形成大量的易燃易爆气体，一旦发生漏电故障，极易引发矿井爆炸事故，因此需要煤矿企业不断加强矿井供电系统的防漏电保护措施。

（四）电气设备保护装置存在问题

受矿井行业生产因素影响，电气设备长期处于高腐蚀、高温以及阴暗潮湿的恶劣环境中，增加了电气设备故障发生的频率，导致电气设备的使用寿命大幅度缩减。矿井在生产作业过程中往往对电气保护工作不够重视，只将重点放在提高煤矿采掘率上，导致供电系统整体灵敏度偏低，电气保护作用较小。此外，电气系统保护制度有待完善，这会增加电气设备故障问题，一旦发生漏电现象，引发电火花，可能引发矿井瓦斯爆炸安全事故。因此，煤矿企业在进行日常井下采掘作业过程中，需要注意矿井电气设备保护装置的正常运行。

（五）电气设备老化问题

矿井生产作业环境较为恶劣，井下潮湿的环境容易导致电气设备在运行过程中发生绝缘层磨损，加速电气设备线路的老化，引发矿井供电系统漏电、产生电火花，也有极少部分煤矿企业以牺牲安全的方式节省煤炭采掘作业的资金投入成本。在现实中，采掘多年的矿井设备使用时间较长，出现严重老化问题而不及时更换，就会造成设备故障，引发安全事故。同时，部分矿井存在设备检修不及时的现象，这也是导致电气设备加速老化的主要原因，如果这些问题堆积，容易引发安全事故。

（六）系统运行管理技术较为滞后

目前，煤矿供电设备智能监控保护装置型号较多、通讯规约多且杂，未形成统一的技术保护标准。此外，矿井内部环境复杂多变，供电系统运行装置的信息化程度普遍偏低，加之操作人员经验不足，容易造成采掘作业中的设备误操作，从而引发线路跳闸。操作人员一旦知情不报，供电系统发生越级跳闸停电后，会导致下一级失电开关不能正常完成系统故障记录。很多煤矿企业的供电系统存在“抹黑行动”，导致电气设备维修技术人员无法及时掌握供电系统的实际运行信息，造成故障误判，不利于煤矿企业全面提升供电系统的运行管理成效。

三、提升矿井智能化供电系统可靠性与安全性的措施

（一）科学布设电网电源

作为矿井生产作业的基础性能源保障项目，煤矿企业在设计电网之初必须考虑矿井的长期运行需求，确保井下的电源安全。因此，常使用多个变电所、供电网同时输入电能的方式，保证矿井的日常供电需求。为提高电网电源的稳定性，建议煤矿企业在矿区建立一套完善、科学的双回路智能供电运行系统，以应对大型采掘设备的安全用电需求。同时，严禁采取单电源单回路供电或双回路单电源供电方式，以实现电网电源的科学布设。

另外，随着矿井供电距离不断加大，电气设备的运行功率也随之增加，供电系统易发生短路、过载现象，导致供电线路过流情况频发，给矿井埋下火灾隐患。因此，矿区应合理使用区段供电法，规避电网的超负荷、超长供电。同时，做好供电系统漏电保护、过流保护工作，采取电气设备保护方式，例如，接地保护、短路保护、过载保护、漏电保护等，进而提升供电系统自动保护装置的实际应用效果。

（二）合理整治电压谐波

矿井在进行采掘作业时，供电系统容易受到电网谐波的影响，会破坏系统电压平衡。为了解决这一问题，多使用滤波器过滤多余的谐波，滤波器被安装在变压器供电母线上，不仅能消除供电系统电路中的无用谐波，抑制电流无效波动，还能对供电网进行一定的无功补偿。同时，可以使用消谐器让供电系统中的电压互感器产生中性点接地效应，从而消除电压谐波。另外，使用消弧线圈完成供电系统自动协调补偿装置与中性点的接地效应，虽然结构较为复杂，但谐波的消除效果相对更好。建议煤矿企业在非必要的生产环境下，尽可能降低对变频器的使用频率，变频器不仅会产生大量的电压谐波，影响电网稳定性，还会对电气设备的弱电系统产生不利影响，导致电气设备仪表仪器发生失控反应。

（三）配备实时集中监控系统

要想实现对电力设备的实时集中监控，矿井智能化供电系统应合理利用信息化技术与互联网技术，构建实时电力监控平台，对矿井供电系统的各级电压开关进行身份编号标注，采集系统的测控单元实时信号，利用智能零时限区域保护原理和电流保护技术，通过硬接线或智能变电站快速报文方式，实现供电系统的区域保护性。在上述运行状态下，首先，一旦矿井智能供电系统发生电路短路现象，且短路电流超过上下级电压开关的保护设定值参数，系统将自动按照常规预案完成跳闸处理。其次，启动下级电压保护器，借助网络技术向上级电压保护器同步发出闭锁信号。此时，上级电压开关保持不发出动作，仅下级电压开关发出动作，有效实现防越级功能。实时集中监控系统包括短路监测装置、高低压电缆漏电装置、变压器电压监测装置、高压开关动态监测装置等，以真正实现智能化供电系统对矿井用电的实时监控。

（四）完善井下继电保护系统

建立完善的井下继电保护系统，必须结合先进的继电控制技术，根据矿井实际供电系统运行情况，制定科学的继电保护措施，为井下机械设备和电气设备提供相对稳定、节能、安全、高效的运行环境。通过继电保护系统的有效控制，减少由于工作人员操作失误引发的供电系统故障事故，使矿井智能化供电系统具备更强的防火防爆功能，提升供电系统的运行效率。

（五）规范供电系统设计方案

为确保矿井智能供电系统设计方案的合理性与合法性，需要电网设计人员综合考虑矿井的采掘设备数量与辅助电气设施数量，明确各项设备运行的最大功率值，科学分配设备用电。同时，建立完善的事故应急预案，并按照部门职责将其落实到各个工作环节中，缩短供电系统的停电时间，降低断电带来的经济损失，为电力救援争取更多的时间。

（六）定期升级或改造供电设备

矿井电气设备检修人员要定期对各项电气设备进行维护和检修。一旦发现设备严重损坏或严重老化，应及时更新设备，以免因小失大，酿成更大的安全事故，确保智能供电系统正常运行，实现良性循环。

煤矿企业要加强对电气设备检修技术人员的全面培养，从专业技术、理论知识方向着手，结合以往的实践维修经验，全面提升电气设备的维修质量。同时，加强维修技术人员的安全防范意识，养成勤观察、善发现的岗位责任意识，从而为矿井智能供电系统的稳定、安全运行提供最大程度的人力保障。

四、结语

煤矿企业在提高自身矿井智能化供电系统运行可靠性和安全性时，需要综合考虑行业趋势与矿井实际情况，进行科学、规范的设计。借助可靠、安全的供电系统，提升矿井生产作业效率，全面提高企业的经济效益。针对目前矿井智能化供电系统在运行过程中经常出现的各类安全隐患，技术人员要在充分掌握电气设备故障原理及矿井智能化供电系统故障处理方法的情况下，结合以往维修经验，多角度分析引发故障的具体原因，进而制定科学的解决措施，保证维修质量，让电气设备与供电系统重新回归正常运行状态。同时，建立电气设备与供电系统检修、监管机制，全面提升作业人员的安全防范意识，重视故障预防措施的学习和实施力度，实现对矿井的供电负荷全程集中监控，提升矿井供电系统的智能化运行水平。

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作者简介：盖森亮（1997），男，山西省长治市人，本科，助理工程师，现任兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿技术员，从事煤矿机电技术工作，主要研究方向为矿井供电。