煤礦供電電源不間斷供電可靠性技術(shù)研究

田旭東，駱建營，閔祥晟

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100）

1 概 述

貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井兩路35kV電源分別引自110kV新鋪變電站和六龍變電站，分屬不同電網(wǎng)，不能合環(huán)操作，該地區(qū)屬雷電多發(fā)區(qū)，受雷擊及其它因素影響易引發(fā)系統(tǒng)性電壓波動，造成非正常停電、電壓大幅波動或短時斷電的情況屢見不鮮，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示?，F(xiàn)在小屯煤礦供電主要存在以下問題：

1）小屯煤礦地處山區(qū)，為雷電多發(fā)地段，經(jīng)常由于雷電原因造成礦井電源停電，從而導(dǎo)致全礦停電；而備用電源不能立即供電，需要將下級開關(guān)切除，然后從電源逐級送電，這樣停電影響時間大大延長，甚至超過10分鐘，給礦井安全帶來極大的威脅。

2）兩回路電源不能合環(huán)操作，切換兩路供電電源時，需要全礦停電。

3）井下高壓電網(wǎng)采用多段電纜線路構(gòu)成，線路短、短路電流較大，其首端和末端的短路電流級差不大,往往上下級速斷保護(hù)同時啟動,造成上下級保護(hù)同時動作或上級搶先動作而越級跳閘。

小屯煤礦為煤與瓦斯突出礦井，一旦停電很容易造成瓦斯積聚，帶來嚴(yán)重的后果，因此，供電電源不間斷可靠性技術(shù)研究尤為有重要意義。

表1 小屯煤礦全礦停電次數(shù)統(tǒng)計

2 研究解決的問題

小屯煤礦的供電運行方式：小屯礦井采用35kV雙回路供電，35kV電源Ⅰ回路來自新浦110/35/10kV變電站，Ⅱ回路來自六龍110/35/10kV變電站，35kV兩回路供電電源一回路運行，另一回路熱備用。礦內(nèi)設(shè)有35/10kV變電所一座，安裝了兩臺主變壓器，一臺運行，一臺備用。35kV變電所接線方式采用全橋接線，變電所35kV、10kV系統(tǒng)主接線采用單母線分段方式。正常情況下，35kV、10kV均合母聯(lián)并聯(lián)運行，10kV饋出線帶多臺高壓電動機。如圖1所示：

圖1 小屯煤礦供電系統(tǒng)示意圖

2.1 研究煤礦35kV進(jìn)線電源的不間斷供電

2.1.1 35kV兩回路進(jìn)線電源的串聯(lián)切換

小屯煤礦35kV變電所盡管有兩回路電源，但兩路電源來自不同的電網(wǎng)，導(dǎo)致兩段母線的電壓相位角、頻率可能不一致，當(dāng)正在運行帶負(fù)荷的一路電源突然失電后，另一路備用電源能夠在跳開運行開關(guān)前提下快速切換到運行狀態(tài)，即保證一路電源失電后該段母線所帶的負(fù)載不失電，同時考慮相位角、頻率的問題，防止備用電源送電造成對設(shè)備的沖擊，保證供電的不間斷。

2.1.2 切換的快速性

礦井主要用電負(fù)荷為異步電動機，如果切換時間過長，會造成電動機被切除和生產(chǎn)的中斷，即使是部分沒被切除的重要電動機，由于母線電壓已經(jīng)很低，轉(zhuǎn)速已經(jīng)嚴(yán)重下降，也會造成生產(chǎn)的中斷，而且此時電動機接近停轉(zhuǎn)，恢復(fù)供電時所有尚連接在母線上的電動機一起加速，對供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊接近于整組自起動。切換的快速性尤為重要。因此，研究適合小屯煤礦供電方式的電源快速切換裝置，既滿足切換的要求又能滿足快速性，保證煤礦供電不受影響。

2.2 研究兩臺主變壓器的人工倒閘并聯(lián)切換，防止沖擊電流的產(chǎn)生

盡管兩臺變壓器的電源是同頻的，允許合環(huán)操作，即先合上備用變壓器電源開關(guān)，后跳開工作運行電源開關(guān)，但仍需防止合閘時造成過大的沖擊。因此，研究變壓器的平穩(wěn)切換，減少對變壓器、供電系統(tǒng)的沖擊。

2.3 研究變壓器的事故切換

當(dāng)運行的主變壓器故障或35kV側(cè)控制開關(guān)故障時，能夠快速切換到備用變壓器，實現(xiàn)不間斷供電。

2.4 研究小屯煤礦高低壓供電系統(tǒng)的防越級跳閘

煤礦供電系統(tǒng)具有特殊性，其各級變電所的供電線路較短、短路電流較大，通過單純的保護(hù)裝置配合，不能有效的控制越級跳閘。

2.4.1 解決10kV高壓系統(tǒng)防短路越級跳閘應(yīng)遵循的原則

1）短路越級跳閘是煤礦高壓供電系統(tǒng)固有的問題，無法通過管理手段徹底解決。

2）應(yīng)該在開關(guān)設(shè)備自身層面解決，而不應(yīng)該通過增加輔助系統(tǒng)或其他設(shè)備解決。增加系統(tǒng)或輔助設(shè)備，必定帶來新的故障發(fā)生點，同時采用集中控制的方式，有悖于最大可能降低故障影響范圍的宗旨。

3）盡量降低解決問題的投入，提高改造后開關(guān)設(shè)備的性能，減少改造過程的工程量和影響。

4）完全滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定和《礦用隔爆型高壓配電裝置》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能指標(biāo)。

5）系統(tǒng)處理完整，不留盲區(qū)和死角。

2.4.2 研究660V低壓系統(tǒng)選漏動作準(zhǔn)確性及遵循的原則

隨著煤礦綜合開采業(yè)技術(shù)的發(fā)展，礦井下的機械設(shè)備和電氣設(shè)備逐漸代替了大量的人工作業(yè)，自動化程度加強，然而，小屯煤礦低壓660V供電系統(tǒng)發(fā)生漏電時，經(jīng)常發(fā)生誤動或拒動現(xiàn)象，影響生產(chǎn)安全。提高低壓系統(tǒng)漏電動作準(zhǔn)確性應(yīng)遵循的原則：

1）當(dāng)?shù)蛪汗╇娤到y(tǒng)線路出現(xiàn)漏電現(xiàn)象時，應(yīng)能準(zhǔn)確選擇地將發(fā)生漏電現(xiàn)象的分支線路進(jìn)行漏電保護(hù)動作，切斷漏電故障線路電源，防止事故擴大，也防止縱向越級跳閘擴大斷電范圍，保證其它線路正常運行。

2）系統(tǒng)中，大功率設(shè)備的開停、遠(yuǎn)距離設(shè)備的開停、環(huán)境溫濕度的變化等等，都會引起系統(tǒng)對地分布電容的大幅度變化，從而造成選擇性漏電的準(zhǔn)確性降低，要能夠檢測分布電容變化，自動調(diào)整動作條件。

3）盡量降低解決問題的投入，提高改造后開關(guān)設(shè)備的性能，減少改造過程的工程量和影響。

4）完全滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定和《礦用防爆低壓交流真空饋電開關(guān)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能指標(biāo)。

2.5 研究10kV、660V系統(tǒng)短時電壓波動造成的大面積停電

高、低壓供電系統(tǒng)在電壓波動幅度較大時，容易造成大面積的失壓停電。防止失壓引起的大面積停電遵循的原則：煤礦的高低壓斷路器必須保有失壓線圈，作為后備保護(hù)，要防止雷擊、嚴(yán)重短路、系統(tǒng)重合閘造成的煤礦大面積停電，必須讓失壓線圈在失壓時維持一定的時間，以躲過失壓瞬間。

3 解決方案

3.1 兩回路進(jìn)線電源快切

經(jīng)過調(diào)研，現(xiàn)在已有技術(shù)比較成熟的電源快速切換裝置，是專門針對工業(yè)企業(yè)變電站電源切換的需求，既能解決外部電網(wǎng)“晃電”對企業(yè)電網(wǎng)的沖擊，又能解決內(nèi)部電網(wǎng)故障下連續(xù)供電的電源快速切換裝置，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，實現(xiàn)了生產(chǎn)的“零停電”。

在35kV變電所值班室內(nèi)安裝一臺快速切換屏柜，在屏柜內(nèi)安裝控制35kV進(jìn)線電源的快切裝置，通過對35kV進(jìn)線電壓、電流以及開入量的采集，用以完成進(jìn)線電源的事故跳閘時的快速切換，確保礦井35kV供電電源的不間斷供電。

正常情況下，35kV母聯(lián)開關(guān)處于合閘狀態(tài)，當(dāng)一段進(jìn)線發(fā)生故障時，快切通過保護(hù)起動（需要將進(jìn)線的主保護(hù)起動接點接入）方式或者逆功率起動方式起動，快切檢測到起動信號后，起動快切，發(fā)出跳閘指令，跳掉進(jìn)線開關(guān)，并通過監(jiān)測失電母線殘壓的與備用段進(jìn)線電壓進(jìn)行比較，判斷以何種方式合閘。

由于兩段進(jìn)線電源來自不同的系統(tǒng)，導(dǎo)致兩段母線正常運行時的電壓相角、頻率可能不同，所以進(jìn)線開關(guān)跳閘后母線電壓的相角可能和備用進(jìn)線的相角差比較大，可能不滿足快速合閘的條件，導(dǎo)致快速合閘不成功（也有可能成功），這樣快切就轉(zhuǎn)入同捕合閘，如果同捕合閘不成功，則轉(zhuǎn)入殘壓合閘。

3.2 主變壓器的人工倒閘切換、事故切換

在35kV變電所值班室內(nèi)已安裝的快速切換屏柜內(nèi)，再安裝一臺快切裝置，用以控制10kV側(cè)進(jìn)線電源的切換，通過對變壓器35kV側(cè)電壓、電流以及開入量的采集，來實現(xiàn)的主變壓器的切換?？梢酝ㄟ^快切裝置的正常操作來完成主變壓器切換的人工倒閘操作，保證無沖擊電流；通過快切裝置的事故切換來完成主變壓器或主變壓器高、低壓側(cè)開關(guān)故障時的切換，保證礦井10kV側(cè)供電電源的不間斷供電。

3.3 10kV高壓供電系統(tǒng)防短路越級跳閘方案及原理

3.3.1廣播通訊閉鎖式防越級跳閘方案的原理

高壓防爆開關(guān)之間采用越級跳閘信號閉鎖，解決井下高壓供電系統(tǒng)短路越級跳閘問題。如圖2所示，變電所高壓開關(guān)采用短路越級跳閘信號通信閉鎖和零時限速斷、后備定時限電流保護(hù)配合完成。

1）各開關(guān)保護(hù)裝置能夠通過通信信息和結(jié)合檢測到的短路電流經(jīng)過的范圍確認(rèn)短路點，當(dāng)某條線路發(fā)生短路時，負(fù)載側(cè)直接發(fā)生短路的開關(guān)自動為最下級而速斷，同時發(fā)出防止短路越級跳閘閉鎖信號，閉鎖上級相應(yīng)開關(guān)保護(hù)器速斷保護(hù)功能，確保不產(chǎn)生短路越級跳閘，如果下級開關(guān)因故據(jù)動，其上級開關(guān)逐級根據(jù)設(shè)定的越級跳閘時間動作。

2）防止下級開關(guān)負(fù)載側(cè)發(fā)生較大的短路電流超過該開關(guān)的分?jǐn)嗄芰?，根?jù)負(fù)荷情況設(shè)置后備定時限電流保護(hù)來確保開關(guān)的可靠動作，最大限度保障供電安全。

圖2 廣播通訊閉鎖式防越級跳閘示意圖

3.3.2小屯煤礦的10kV高壓供電系統(tǒng)防短路越級跳閘方式

在35kV變電所內(nèi)安裝一臺通訊管理機用于管理各保護(hù)之間的閉鎖，下井的兩臺10kV一般型高壓出線柜采用YK-2000/2400系列微機綜合保護(hù)裝置，將裝置的以太網(wǎng)口用網(wǎng)線連入通訊管理機的以太網(wǎng)電口。

將井下變電所、配電點的隔爆型高壓真空配電裝置的原保護(hù)裝置更換為具有短路越級跳閘閉鎖功能的PIR-8110GX2400型高壓微機智能綜合保護(hù)裝置，將更換好的裝置CAN口互聯(lián)，同時將兩臺總開關(guān)的光口經(jīng)隔爆型光纖端子引入地面的通訊管理機的光口。形成35kV下井10kV柜、采區(qū)變電所、各車場配電點的三級閉鎖，有效的杜絕越級跳閘。

3.4 小屯煤礦井下660V低壓供電系統(tǒng)選漏方案

將井下采區(qū)變電所、七號聯(lián)變電所所內(nèi)的低壓饋電開關(guān)的保護(hù)更換為PIR-8210K2400低壓微機智能綜合保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置具備以下功能：(1)定時檢測本系統(tǒng)內(nèi)的分布電容，并自動調(diào)整動作條件，使開關(guān)始終處于最佳漏電動作狀態(tài)；(2)避免人工調(diào)整的誤差和疏忽。通過保護(hù)裝置的更換，660V低壓供電系統(tǒng)的選漏準(zhǔn)確性提高，保證了低壓系統(tǒng)的供電安全。

3.5 井下高、低壓系統(tǒng)防止短時失壓造成大面積停電

3.5.1防止短時失壓造成大面積停電的原理簡介

由于現(xiàn)有的開關(guān)保護(hù)裝置的采用了智能微機保護(hù)裝置，在一般情況下上下級開關(guān)通過正確整定和計算，很大程度上避免了短路越級跳閘的發(fā)生，而高壓供電系統(tǒng)短時失壓造成系統(tǒng)大面積跳閘事故時有發(fā)生，短時失壓的情況一般有開關(guān)近端短路、雷擊、供電系統(tǒng)中備用電源的自動切換等。解決方案如下：

首先，系統(tǒng)失壓時要保證保護(hù)裝置正常工作，采用了儲能電源來解決保護(hù)裝置在失壓時能夠正常工作5秒左右（通過外加儲能元件可以再延長工作時間），保證了在供電系統(tǒng)失壓時，所有保護(hù)功能正常可靠。其次，防止開關(guān)在短時失壓時跳閘，在開關(guān)中加裝電源蓄能模塊，經(jīng)保護(hù)裝置控制接點并接到彈簧機構(gòu)高爆開關(guān)的失壓線圈或永磁機構(gòu)高爆開關(guān)的永磁機構(gòu)控制器電源兩端。高爆開關(guān)上電，保護(hù)裝置接點閉合，失壓線圈吸合（彈簧機構(gòu)高爆開關(guān)）工作的同時，電源蓄能模塊充電；當(dāng)母線失壓時，電源蓄能模塊向失壓線圈（彈簧機構(gòu)高爆開關(guān)）放電，保持失壓線圈（彈簧機構(gòu)高爆開關(guān)）吸合正常工作，開關(guān)不因短時失壓而跳閘。蓄能裝置的能量可以保持失壓線圈（彈簧機構(gòu)高爆開關(guān)）正常工作5秒，可以通過在智能保護(hù)器上設(shè)置失壓保護(hù)動作時間實現(xiàn)開關(guān)失壓保護(hù)。

3.5.2 小屯煤礦解決短時失壓造成大面積停電的方案

在井下采區(qū)變電所、配電點每臺隔爆型高壓配電裝置內(nèi)安裝儲能模塊8110R5，在每臺低壓真空饋電開關(guān)內(nèi)安裝儲能模塊8210R5。通過儲能模塊的安裝實現(xiàn)能夠延時5秒左右。即：①高爆開關(guān)上電，保護(hù)裝置接點閉合、失壓線圈吸合同時，8110R5電源蓄能模塊充電；當(dāng)母線失壓時，模塊向失壓線圈放電，保持失壓線圈吸合狀態(tài),開關(guān)不因短時失壓跳閘。8110R5電源蓄能模塊的能量至少保持失壓線圈吸合5秒。②低爆開關(guān)上電，保護(hù)裝置接點閉合、失壓線圈吸合同時，8210R5電源蓄能模塊充電；當(dāng)母線失壓時，模塊向失壓線圈放電，保持失壓線圈吸合狀態(tài),開關(guān)不因短時失壓跳閘。8210R5電源蓄能模塊的能量至少保持失壓線圈吸合5秒。③可以通過在保護(hù)器上設(shè)置失壓保護(hù)動作時間實現(xiàn)開關(guān)失壓保護(hù)；同時，保護(hù)裝置失效時，儲能模塊切除，失壓線圈短路時瞬動，承擔(dān)后備保護(hù)。

4 結(jié)論

通過小屯煤礦供電電源不間斷供電可靠性技術(shù)研究，能夠解決小屯煤礦35kV兩回路進(jìn)線電源的事故切換、兩臺主變壓器的人工倒閘切換帶來的電流沖擊和變壓器的事故切換、10kV井下供電系統(tǒng)的防短路越級跳閘、660V低壓供電系統(tǒng)選漏的準(zhǔn)確行可靠性、井下高低壓供電設(shè)備由于短時失電造成大面積停電等問題，實現(xiàn)了小屯煤礦供電電源的不間斷供電，具備以下經(jīng)濟和社會效益：①保證了煤礦供電的安全性、可靠性，特別是在本地區(qū)供電穩(wěn)定性差的情況下，實現(xiàn)了不間斷供電。②在本地區(qū)具備示范作用，為其他煤礦的供電安全提供了有效的依據(jù)。③在人員素質(zhì)相對較低、人員配置相對較少的狀況下，為實現(xiàn)供電的安全管理提供了可靠的保障。④為實現(xiàn)變電所的無人值守奠定了基礎(chǔ)，節(jié)約了大量人力、物力，具備特別高的經(jīng)濟效益。