青龍煤礦供電系統(tǒng)可靠性治理實(shí)踐

摘 要：本文通過對(duì)青龍煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況進(jìn)行全面分析，發(fā)現(xiàn)影響礦井供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素有以下幾個(gè)方面：一是礦井架空線路遭受雷擊引起本礦線路上級(jí)的開關(guān)跳閘或重合閘導(dǎo)致礦井大面積停電；二是電網(wǎng)波動(dòng)或上級(jí)電網(wǎng)重合閘引起本礦供電系統(tǒng)失壓動(dòng)作或系統(tǒng)跳閘導(dǎo)致礦井大面積停電；三是本礦供電系統(tǒng)近端短路引起越級(jí)跳閘導(dǎo)致礦井大面積停電。針對(duì)以上影響礦井供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的三大主要因素，我們采取了架空線路架設(shè)全線避雷線、分段避雷器引雷、重點(diǎn)位置安設(shè)主動(dòng)引雷器等綜合防雷措施；礦井供電系統(tǒng)保護(hù)裝置失壓延時(shí)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)短路速斷廣播式通訊閉鎖防越級(jí)跳閘保護(hù)等措施。實(shí)踐證明，通過以上措施的實(shí)施，能有效提高礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，有效避免礦井供電事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：煤礦供電系統(tǒng)；可靠性與穩(wěn)定性；治理；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TD61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）36-0139-02

1 前 言

供電系統(tǒng)是煤礦最重要的系統(tǒng)之一，其為全礦保安及生產(chǎn)負(fù)荷提供動(dòng)力來源，對(duì)礦井安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。然而在煤礦供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，往往存在雷電干擾、上級(jí)電網(wǎng)波動(dòng)、礦井線路或設(shè)備近母線（特別是6～10kV系統(tǒng)）短路等事故，這些事故往往會(huì)引起礦井電網(wǎng)大面積波動(dòng)，由于系統(tǒng)瞬間失壓或瞬間電壓過低而導(dǎo)致失壓脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作、近端短路時(shí)由于短路電流過大，加之繼電保護(hù)時(shí)差的精度以及斷路器動(dòng)作時(shí)間差異性等諸多因素的影響，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)越級(jí)跳閘，引起礦井大面積停電事故的發(fā)生，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成極大的威脅。目前，礦山架空線路多采用變電所和變電所出入點(diǎn)安設(shè)避雷器的方式進(jìn)行系統(tǒng)防雷，很少有煤礦架設(shè)架空避雷線實(shí)現(xiàn)全線避雷，綜合的防雷和抗波動(dòng)治理方案，在防止短路引起的越級(jí)跳閘方面，目前主要采用基于故障工頻分量的階段式電流保護(hù)原理，但我國(guó)礦山配電線路大都是由多段較短線路所組成的逐級(jí)控制干線式縱向網(wǎng)絡(luò)，由于線路阻抗較小且線路較短，造成各段短路電流幅值相差較小，而時(shí)限設(shè)定又受上級(jí)供電部門繼電保護(hù)時(shí)限與《煤礦安全規(guī)程》的約束，不能根據(jù)時(shí)限配合式繼電保護(hù)構(gòu)成有效的縱向選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)生短路故障導(dǎo)致越級(jí)跳閘常有發(fā)生。針對(duì)存在的這些問題，青龍煤礦在傳統(tǒng)的防雷設(shè)施要求基礎(chǔ)上，采取對(duì)礦井架空線路架設(shè)全線避雷線、沿線路分段安設(shè)閥型避雷器將雷電就近引入大地、線路至高點(diǎn)等重點(diǎn)位置安設(shè)主動(dòng)引雷器等綜合防雷措施，防止雷電對(duì)礦井供電線路造成的災(zāi)害；對(duì)礦井供電系統(tǒng)保護(hù)裝置進(jìn)行失壓延時(shí)電路設(shè)計(jì)，以解決電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響；采用系統(tǒng)短路速斷廣播式通訊閉鎖防越級(jí)跳閘保護(hù)技術(shù)，即采用CAN總線通信和光纖通信復(fù)合式級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)大容量短路情況下配電線路的防越級(jí)選擇性保護(hù)。

2 青龍煤礦供電系統(tǒng)概況及可靠性分析

青龍煤礦位于黔西縣谷里鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120萬t/年，礦井保安負(fù)荷約3500kW、正常生產(chǎn)負(fù)荷約2800kW，即正常生產(chǎn)時(shí)礦井總負(fù)荷約為6300kW。礦井設(shè)有獨(dú)立的35kV變電所，電壓等級(jí)為35kV/10kV，共安設(shè)兩臺(tái)主變（一臺(tái)8000kVA和一臺(tái)12500kVA），本礦進(jìn)線柜作為開口點(diǎn)。礦井采用兩回35kV架空線路供電，一路來自甘棠變電站35kV ？嗇段母線經(jīng)35kV甘青線接入，另一路來自望城坡變電站35kV ？嗇段母線經(jīng)35kV望青線接入，其中望青線全長(zhǎng)12.9km，甘青線全長(zhǎng)7.5km。由于兩條線路途經(jīng)山區(qū)強(qiáng)雷地帶，雷雨季節(jié)遭受雷電災(zāi)害非常嚴(yán)重，電網(wǎng)穩(wěn)定性較差。

礦井地面生產(chǎn)及保安負(fù)荷主要采用10kV電壓供電，分別在各生產(chǎn)及保安負(fù)荷的機(jī)房配有10kV高壓配電室，由35kV變電所10kV Ⅰ、Ⅱ段母線向各高壓配電室供電，形成雙回路電源；井下設(shè)有中央變電所和兩個(gè)采區(qū)變電所，中央變電所電源分別取自礦井35kV變電所10kVⅠ、Ⅱ段母線，形成雙回路供電，各采區(qū)變電所電源由中央變電所10kVⅠ、Ⅱ段母線饋出，形成雙回路電源，各生產(chǎn)場(chǎng)所電源由就近的變電所取入。礦井各主要變電所及重要負(fù)荷的兩回路電源采用分列運(yùn)行方式，當(dāng)一回路故障時(shí)，另一回路能承擔(dān)相應(yīng)系統(tǒng)的全部負(fù)荷。

礦井各級(jí)系統(tǒng)保護(hù)都使用目前較為先進(jìn)的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，各級(jí)繼電保護(hù)定值和動(dòng)作級(jí)差較為規(guī)范并按規(guī)定每半年梳理更新1次，系統(tǒng)出現(xiàn)較大變化時(shí)立即進(jìn)行更新，系統(tǒng)避雷系統(tǒng)符合規(guī)范要求。一般情況下系統(tǒng)能滿足安全運(yùn)行的需要，但是當(dāng)上級(jí)電網(wǎng)大面積波動(dòng)、區(qū)域電網(wǎng)相關(guān)線路遭受雷擊、重合閘、礦井本身線路近端短路等極端情況時(shí)，系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)選擇性的保護(hù)動(dòng)作要求，時(shí)而會(huì)出現(xiàn)礦井大面積停電事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的威脅。

3 礦井供電系統(tǒng)存在的主要問題及解決方案

3.1 礦井架空線路遭受雷擊引起本礦線路上級(jí)開關(guān)跳閘或重合閘引起礦井大面積停電

3.1.1 主要問題

由于青龍煤礦的兩條架空線路均處于山區(qū)強(qiáng)雷地帶，雷雨季節(jié)遭受雷電災(zāi)害非常嚴(yán)重，當(dāng)本線路遭受雷擊時(shí)，常出現(xiàn)過電壓引起系統(tǒng)薄弱點(diǎn)絕緣擊穿、雷電引起架空線路弧光短路等情況，造成上級(jí)變電站饋出線路繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘或重合閘等情況發(fā)生，這些情況要么造成系統(tǒng)停電、要么引起電網(wǎng)波動(dòng)，均會(huì)對(duì)礦井安全供電造成極大的威脅。

3.1.2 解決方案

為避免或減少自身架空線路遭受雷擊引起供電系統(tǒng)事故，青龍煤礦在傳統(tǒng)的防雷設(shè)施要求基礎(chǔ)上，采取對(duì)礦井架空線路全程架設(shè)避雷線、沿線路分段安設(shè)閥型避雷器將雷電就近引入大地、線路至高點(diǎn)等易遭受雷擊的重點(diǎn)位置安設(shè)主動(dòng)引雷器等綜合防雷措施，防止因雷電對(duì)礦井供電線路造成的災(zāi)害。

（1）礦井主運(yùn)行架空線路全線避雷措施

通過對(duì)兩條線路運(yùn)行質(zhì)量及兩條線路沿線進(jìn)行分析，我們確定甘青線為礦井主運(yùn)行回路，對(duì)本條線路進(jìn)行了改造，增設(shè)導(dǎo)線上方的架空避雷線，形成可靠的架空避雷接地系統(tǒng)，能有效將直擊雷經(jīng)架空接地線引入大地，防止直擊雷對(duì)架空線路的破壞。

（2）線路分段增設(shè)避雷器，實(shí)現(xiàn)線路分段引雷

分段引雷主要是防止本系統(tǒng)架空線路遭受側(cè)向球雷襲擊或其它相臨線路遭受雷擊造成過電壓對(duì)本系統(tǒng)的破壞。為此，我們?cè)诩芸站€兩端的起始桿和終端桿以及架空線進(jìn)入變電所的前端各增加2組氧化鋅閥型避雷器，同時(shí)在線路中部分別增加了2組氧化鋅閥型避雷器，將各區(qū)段雷擊過電壓就地引流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩端變電所設(shè)施的保護(hù)，減小電網(wǎng)受影響的范圍，提高了本電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（3）架空線經(jīng)過的至高點(diǎn)安設(shè)主動(dòng)引雷器

為進(jìn)一步增強(qiáng)礦井供電線路抗雷電的能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決存在的隱患，每次雷電天氣過后，我們都安排專人進(jìn)行巡線，如實(shí)尋找和記錄每次發(fā)生在線路的落雷點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，90%以上的雷擊點(diǎn)在線路至高點(diǎn)或其附近，經(jīng)研究，在線路至高點(diǎn)安設(shè)主動(dòng)引雷器，該引雷器保護(hù)半徑可達(dá)105m，可通過引雷器預(yù)放電將雷電預(yù)先引入大地，避免雷電擊中高點(diǎn)線路。

3.2 電網(wǎng)波動(dòng)或上級(jí)電網(wǎng)重合閘引起本礦供電系統(tǒng)失壓動(dòng)作或系統(tǒng)跳閘

3.2.1 主要問題

電網(wǎng)波動(dòng)主要是由于上級(jí)電網(wǎng)因故重合閘，同一變電所饋出相臨線路遭受雷擊造成弧光短路、用電線路發(fā)生大容量短路或高壓電機(jī)線圈短路等，波動(dòng)時(shí)電網(wǎng)電壓會(huì)急劇下降，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成供配電線路上的保護(hù)器因失壓而失效或失壓脫扣線圈失壓動(dòng)作，造成礦井大面積停電事故的發(fā)生。

3.2.2 解決方案

青龍煤礦改造前使用的隔爆型高壓真空配電開關(guān)、隔爆型低壓真空饋電開關(guān)都是彈簧操作機(jī)構(gòu)的開關(guān)，當(dāng)供電系統(tǒng)遇到雷電干擾（含上級(jí)變電站或其饋出線路）、母線上某臺(tái)分開關(guān)下接電路近端短路、系統(tǒng)重合閘等情況造成母線瞬間失壓或電壓過低時(shí)，使開關(guān)的保護(hù)裝置和失壓線圈失壓而誤跳閘，是引發(fā)大面積停電事故的主要原因，而該類故障一般持續(xù)時(shí)間較短（約為0.1～0.5s）。為了解決這個(gè)問題，我們對(duì)開關(guān)的保護(hù)裝置和無壓釋放電路進(jìn)行針對(duì)性改造。即在保護(hù)裝置內(nèi)增加阻容蓄能模塊，該模塊經(jīng)保護(hù)器控制接點(diǎn)并接到失壓線圈兩端，開關(guān)合閘后，保護(hù)器接點(diǎn)閉合，失壓線圈吸合的同時(shí)，阻容蓄能模塊充電；當(dāng)母線失壓時(shí)，阻容蓄能模塊向失壓線圈放電，保持失壓線圈吸合，開關(guān)不因系統(tǒng)瞬間失電或瞬間電壓過低而脫扣跳閘。阻容蓄能模塊的能量可以保持失壓線圈最大吸合時(shí)間5s，可以通過在智能保護(hù)器上設(shè)置失壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間通過保護(hù)器控制接點(diǎn)切除阻容蓄能模塊和驅(qū)動(dòng)分勵(lì)脫扣線圈，實(shí)現(xiàn)開關(guān)失壓保護(hù)。這樣既實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的失壓保護(hù)功能，又保證了開關(guān)不會(huì)因?yàn)橥獠吭蛞鹚查g失壓或瞬間電壓過低而脫扣跳閘，提高了礦井供電系統(tǒng)的抗波動(dòng)能力。

3.3 系統(tǒng)近端短路引起越級(jí)跳閘

3.3.1 存在問題

改造前，青龍煤礦供電系統(tǒng)采用基于故障工頻分量的階段式電流保護(hù)原理來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性保護(hù)，這樣的保護(hù)結(jié)構(gòu)要求有一定的過流保護(hù)值差和時(shí)差，由于礦井供電系統(tǒng)級(jí)數(shù)較多，若每一級(jí)值差和時(shí)差都設(shè)置到足夠大，當(dāng)逐級(jí)推到礦井變電所的進(jìn)線柜時(shí)，就超出了規(guī)定的限值，且值差和時(shí)差都超過了上級(jí)變電站饋出柜的定值，而上級(jí)饋出柜的定值由地方供電部門統(tǒng)一管理，無法進(jìn)行更改，導(dǎo)致我礦的保護(hù)定值無法按需要設(shè)置。同時(shí)，我礦10kV系統(tǒng)為由多段較短線路組成的逐級(jí)控制干線式縱向網(wǎng)絡(luò)，由于每段線路間的阻抗較小，造成各段短路電流幅值相差較小，時(shí)限設(shè)定又受上級(jí)供電部門繼電保護(hù)時(shí)限與《煤礦安全規(guī)程》的約束，不能根據(jù)時(shí)限配合式繼電保護(hù)構(gòu)成有效的縱向選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)生短路故障導(dǎo)致越級(jí)跳閘的事故時(shí)有發(fā)生。

3.3.2 解決方案

采用基于廣播式通訊閉鎖的防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CAN總線通信和光纖通信復(fù)合式級(jí)聯(lián)的方式，將系統(tǒng)中各級(jí)開關(guān)組成獨(dú)立的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，即將同一級(jí)變電站所轄的所有開關(guān)接入CAN總線，利用CAN總線具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能的特點(diǎn)，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，避免點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式所帶來的逐級(jí)增加的通信延時(shí)。當(dāng)開關(guān)檢測(cè)到故障電流時(shí)，即向總線上傳跳閘指令（即故障信息），在供電系統(tǒng)中不同位置的開關(guān)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)級(jí)別及本身所檢測(cè)到的故障電流進(jìn)行故障位置判斷。不同變電所，如上級(jí)變電所出線開關(guān)與下級(jí)變電所進(jìn)線開關(guān)之間采用專用的光纖聯(lián)接，傳遞由CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)協(xié)議的跳閘指令，以此避免長(zhǎng)距離通訊對(duì)CAN總線通信的影響。

如圖1所示。

當(dāng)d2點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，開關(guān)5-1均檢測(cè)到短路故障信號(hào)，最下一級(jí)開關(guān)（即開關(guān)5）在執(zhí)行速斷命令的同時(shí)閉鎖其上級(jí)的所有開關(guān)（即開關(guān)1-4），避免開關(guān)1-4檢測(cè)到相應(yīng)的短路故障信號(hào)而越級(jí)跳閘，縮小停電范圍，若開關(guān)5在設(shè)定的時(shí)限內(nèi)因故障未執(zhí)行跳閘（即拒動(dòng)），則開關(guān)4解除閉鎖而執(zhí)行跳閘任務(wù)，以此類推，直至故障信號(hào)消失；當(dāng)d1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，開關(guān)3-1檢測(cè)到短路故障信號(hào)，而開關(guān)4和5未檢測(cè)到，此時(shí)開關(guān)3自動(dòng)判斷其自身為最下一級(jí)開關(guān)，在執(zhí)行速斷的同時(shí)閉鎖開關(guān)3-1，同理若其拒動(dòng)則依次解除開關(guān)2和1的閉鎖，實(shí)現(xiàn)廣播式逐級(jí)后備保護(hù)。

4 結(jié)束語

（1）煤礦供電系統(tǒng)穩(wěn)定性治理是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須采取綜合的治理措施方能真正達(dá)到安全可靠的要求。

（2）全線避雷能有效防止雷電災(zāi)害，大大提高供電可靠性，避免雷電造成礦井重大災(zāi)害，應(yīng)作為煤礦供電系統(tǒng)防雷的主要措施加以推廣。

（3）煤礦主要供電開關(guān)的保護(hù)裝置和無壓釋放電路進(jìn)行儲(chǔ)能延時(shí)設(shè)計(jì)，以躲過瞬間電壓陡降時(shí)的電壓谷底，能有效防止電網(wǎng)波動(dòng)造成的系統(tǒng)誤動(dòng)作。

（4）采用基于廣播式通訊閉鎖的防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，是目前最為有效的電網(wǎng)選擇性保護(hù)方式，能有效防止越級(jí)跳閘問題。

參考文獻(xiàn)

[1]梅中健，曾劍文.基于高速工業(yè)網(wǎng)的防越級(jí)跳閘解決方案[J].煤礦機(jī)電，2014，34（3）：85～88.

收稿日期：2018-11-10

作者簡(jiǎn)介：駱弟華（1982-），貴州開陽人，工程師，從事機(jī)電管理工作。