煤礦地面供電系統(tǒng)的研究與設(shè)計

鄔 瑞

（西山煤電集團公司杜兒坪礦， 山西 太原 030022）

引言

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的變革，井下工作面不斷延伸擴展，對煤礦供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性提出新的要求[1]。根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)督局統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，由煤礦供電系統(tǒng)故障直接或間接引起的事故，在所有安全事故中的比例逐漸上升[2]。如煤礦瓦斯爆炸，其中一半以上的事故都是由于通風設(shè)備斷電，造成井下瓦斯積聚，而井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，電氣設(shè)備或絕緣組件受到腐蝕后，工作性能下降，在二次通電時極易造成絕緣擊穿，引起爆炸事故[3-4]。所以對煤礦供電系統(tǒng)進行合理優(yōu)化與設(shè)計，有助于提高煤礦生產(chǎn)過程的安全性。本文將針對煤礦地面供電系統(tǒng)進行研究與設(shè)計。

1 供電系統(tǒng)特性與問題的分析

1.1 供電系統(tǒng)特性

本文對影響供電系統(tǒng)安全性的因素進行總結(jié)，具體包括：煤礦井上各主要電氣設(shè)備（提升機、通風機及空壓機等）與井下各主要電氣設(shè)備（采煤機、皮帶運輸機、刮板輸送機等）電力分配的情況；煤礦開采方式與井田大小；瓦斯等級及通風方式的選擇；礦井生產(chǎn)能力；綜采工作面自動化程度[5]。

煤礦生產(chǎn)過程主要可分為六大系統(tǒng)，具體為提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、掘進系統(tǒng)、綜采系統(tǒng)、通風系統(tǒng)與排水系統(tǒng)[6]。提升系統(tǒng)主要負責聯(lián)系井上與井下，運輸工人、矸石與設(shè)備等，其工作地點固定，由地面變電所直接供電，完成周期循環(huán)的提升下降任務(wù)。運輸系統(tǒng)主要負載將工作面的礦石、煤炭等物料運輸?shù)骄萝噲?，將設(shè)備與材料從井上運輸?shù)焦ぷ髅?。運輸系統(tǒng)主要包括皮帶運輸、刮板運輸與其他輔助運輸方式等，其中部分運輸方式由地面變電所直接供電，部分運輸方式由各采區(qū)變電所供電。掘進系統(tǒng)與綜采系統(tǒng)為煤礦的兩個基本環(huán)節(jié)，分別負責井下巷道、工作面的開拓與工作面的破煤、轉(zhuǎn)載等工作。掘進系統(tǒng)與綜采系統(tǒng)供電距離長，通常采用變電站或移動變電站對工作面機電設(shè)備供電。通風系統(tǒng)負責排放與抑制瓦斯等有害氣體與煤塵，向工作面輸送新鮮空氣等任務(wù)，排水系統(tǒng)負責將井下掘進工作面等滲出的地下水排放到井上，避免積水威脅生產(chǎn)安全。通風與排水系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備安裝位置的不同，供電來源不同，如主通風機由地面變電所直接供電，局部通風機由各采區(qū)變電所供電。無論各系統(tǒng)是否由地面變電所直接供電，一旦地面供電系統(tǒng)癱瘓，礦井將無法生產(chǎn)，甚至引起瓦斯積聚、透水積水等事故，所以對煤礦地面變電所進行合理分析設(shè)計是十分重要的[7]。

1.2 系統(tǒng)主要存在的問題

由上節(jié)所述，煤礦地面供電系統(tǒng)應當首先保障通風系統(tǒng)與排水系統(tǒng)的供電需求與安全，避免危險事故的發(fā)生。除此之外，系統(tǒng)還應當考慮各電網(wǎng)的短路問題與電氣設(shè)備的保護措施等。

供電系統(tǒng)中最危險的是短路故障，當系統(tǒng)電網(wǎng)中某一線路短路時，將形成上萬安的短路電流，在短時間內(nèi)破壞電氣設(shè)備，引起火災與爆炸等危險事故。所以，為了提高煤礦整個供電系統(tǒng)的安全，應當安裝電流保護系統(tǒng)，監(jiān)測供電網(wǎng)絡(luò)中電流參數(shù)的變化，通過設(shè)定各線路的闕值，實現(xiàn)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的速斷保護與過流保護等功能。

2 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與方案設(shè)計

2.1 地面供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

煤礦供電系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，分為井上部分與井下部分，本節(jié)將主要介紹井上供電系統(tǒng)，即從地面變電所電源端到各6 kV線路末端。地面變電所負責接收電能，并將電能合理分配到主要電氣設(shè)備與采區(qū)變電所等。本文所設(shè)計的地面變電所由下頁圖1所示，包括35 kV線路與6 kV線路。變電所設(shè)有進線端兩路電源與兩臺主變壓器設(shè)備，通過隔離開關(guān)與斷路器將兩部分跨接起來，控制開關(guān)刀閘的狀態(tài)實現(xiàn)供電線路與變壓器的切換。本文在35 kV母線設(shè)有FZ避雷器與TV電壓互感器，起到監(jiān)測保護的作用。系統(tǒng)通過變壓器T1與T2將35 kV轉(zhuǎn)換為6 kV電壓，滿足煤礦提升機、通風機、工人村用電與井下用電需求。本文在6 kV母線兩端設(shè)置FB型避雷器與TV三相電壓互感器，負責監(jiān)視，保護6 kV供電線路。

圖1 地面供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 電源快速切換裝置的選型

本文為了保證通風系統(tǒng)與排水系統(tǒng)的不間斷工作，選型設(shè)計了一種電源快速切換裝置。PCS-9655S為南京南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)的一款電源切換裝置，當某一支路電源發(fā)生故障時，可通過手動與自動的方式切換該支路的供電電源。PCS-9655S裝置采用32位CPU，易于擴展維護，具有良好的人機交互界面，靈活的通訊方式，支持RS485串口通信與以太網(wǎng)通信，抗干擾能力強，可滿足煤礦地面變電所的控制需求[8]。

3 供電系統(tǒng)保護方案的設(shè)計

本文設(shè)計的繼電保護方案如圖2所示，由保護裝置、測控裝置、交換機、智能終端與互感器等設(shè)備組成。本文選用的互感器為電子式，測量線路中電流與電壓信號，相對于傳統(tǒng)互感器，電子式互感器結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、故障測量的準確率高，有益于系統(tǒng)的集成。合并單元的功能是將電流信息與電壓信息合成，利用時鐘裝置傳遞的信號，將合并后的信息打上時間標簽傳輸?shù)奖Ｗo裝置，減少了互感器于保護裝置之間的接線工作。同步時鐘裝置的功能是為系統(tǒng)的信號采集與傳輸提供時間基準，保證信息傳輸?shù)挠行蛐耘c有效性，并且可在事故分析中記錄斷路器狀態(tài)、線路電流與電壓變化等。交換機作為保護系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，將傳統(tǒng)電纜傳輸替換為以太網(wǎng)傳輸，建立可靠的信息傳輸渠道，保證局域網(wǎng)與遠程終端的信息傳輸。

智能終端主要有兩個功能：接收保護裝置的控制信息，實現(xiàn)對斷路器的狀態(tài)控制；向測控裝置上傳信息，方便工程師對斷路器狀態(tài)的遠程監(jiān)控。保護裝置主要負責采集信號的處理與分析工作，通過與系統(tǒng)設(shè)定闕值的比較，判斷電網(wǎng)線路是否出現(xiàn)故障，并將控制信息傳輸?shù)街悄芙K端。測控裝置負責將測量信號上傳與調(diào)度到站控層，方便工程師的遠程控制，并通過控制回路對斷路器的分合狀態(tài)與儲能情況進行監(jiān)控。

圖2 智能繼電保護系統(tǒng)方案設(shè)計

4 結(jié)語

本文設(shè)計的煤礦地面供電系統(tǒng)方案，以及電源快速切換裝置，在系統(tǒng)供電支路發(fā)生故障時，可保證煤礦的生產(chǎn)安全系統(tǒng)快速高效的切換電源，實現(xiàn)不間斷工作。繼電保護系統(tǒng)可完成供電系統(tǒng)的信息采集、故障診斷與自動切換等工作，實現(xiàn)供電線路的速斷保護與過流保護等，保障供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作。