煤礦地面變電所供電系統(tǒng)電氣設(shè)計

閆紅燕

（同煤集團(tuán)燕子山礦，山西大同 037003）

0 引言

我國是煤炭資源大國，近些年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦機(jī)電設(shè)備改革換代，煤炭的產(chǎn)量翻倍增長，但是煤礦的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化，生產(chǎn)和安全之間出現(xiàn)了一些不協(xié)調(diào)的地方[1-2]。煤礦供電系統(tǒng)作為煤炭生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是保證煤礦系統(tǒng)運行安全的前提與基礎(chǔ)，但也是煤礦的一個薄弱環(huán)節(jié)，所以對煤礦的供電系統(tǒng)進(jìn)行研究是有重要意義的[3-4]。本文將對煤礦地面變電所的電氣部分進(jìn)行分析設(shè)計。

1 煤礦變電所總體方案設(shè)計

變電所主要由主變壓器、室內(nèi)外配電裝置和主控室等部分組成[5]。煤礦井口的大功率機(jī)電設(shè)備，如主、副井的提升設(shè)備、礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備等，由地面變電所用6 kV高壓直接供電。選煤廠、機(jī)修廠與工人居住區(qū)等也通過地面變電所直接供送6 kV高壓電。

煤礦地面變電所是整個煤礦供電系統(tǒng)的重要樞紐，它主要負(fù)責(zé)煤礦地面與井下的受電、變電和配電任務(wù)[6]。地面變電所的位置一般設(shè)置在工業(yè)廣場內(nèi)，具體地址確定需要考慮以下幾個因素：與主要負(fù)荷設(shè)備距離較短，減少導(dǎo)線長度，降低損耗；避開煤田、滑坡與采空區(qū)上方，選擇適宜的地形；交通便利，方便設(shè)備運輸；避開空氣污穢區(qū)域，設(shè)置在主導(dǎo)風(fēng)的上風(fēng)處。

2 煤礦地面變電所主線路設(shè)計

煤礦地面變電所的主線路包括35 kV高壓受電線路、6 kV高壓配電線路與380 V低壓供電線路及供電電路，本節(jié)將分別對這3種電氣線路進(jìn)行研究設(shè)計。

2.1 35 kV高壓受電線路

煤礦地面變電所的電壓來源為35 kV高壓電，采用雙電源回路的方式進(jìn)行供電，在電源進(jìn)線端，采用帶有接地刀閘的隔離開關(guān)控制線路的導(dǎo)通與關(guān)閉。當(dāng)對高壓受電線路檢修時，可斷開隔離開關(guān)工作刀閘，合上接地刀閘，切斷電源線路，保證檢修過程中電源斷路器不會重新合閘送電，保護(hù)檢修人員的安全。35 kV高壓受電線路如圖1所示。

35 kV高壓受電線路的母線采用高壓真空斷路器作為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。因為斷路器具有一定的滅弧能力，在正常工況下，可接通或斷開負(fù)荷電流的高壓線路，在發(fā)生短路等故障時，可切斷短路線路，保障供電系統(tǒng)安全。本方案在35 kV受電線路的母線上安裝了FZ型避雷器，避免了雷雨天氣時，感應(yīng)雷對電氣設(shè)備的損害，同時在母線兩側(cè)安裝了電壓互感器TV，為傳感器設(shè)備提供測量和保護(hù)信號。

2.2 6 kV高壓配電線路

圖1 35 kV高壓受電線路設(shè)計

6 kV高壓配電線路為單母線結(jié)構(gòu)，變電所的主變壓器T1與T2將35 kV電壓源降為6 kV，通過斷路器與隔離開關(guān)分別引到母線的兩端。母線分段處設(shè)置有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，各段母線兩端設(shè)有電壓互感器TV，向測量、保護(hù)和監(jiān)視等裝置供電。為了提高電力負(fù)荷的功率因數(shù)，在兩端6 kV母線上集中設(shè)置場補(bǔ)充電容器和相應(yīng)的三相電壓互感器。為防止架空線路感應(yīng)雷入侵，在兩端母線上集中設(shè)置了FB型避雷器，與避雷器共設(shè)于一個配電柜的還有電壓互感器TV和兩個繞組，其中一個繞組提供電氣測量信號，另一個繞組向變電所監(jiān)視裝置和接地保護(hù)裝置提供零序信號。6 kV高壓配電線路如圖2所示。

圖2 6 kV高壓配電線路設(shè)計

2.3 380/220 V低壓供電線路

礦井地面低壓動力及照明用電部分為380/220 V低壓用電單元，本方案的低壓動力變壓器也設(shè)置為2臺，同時向地面小容量設(shè)備供電。380/220 V低壓供電線路如圖3所示，供電系統(tǒng)通過T3與T4變壓器將6 kV高壓轉(zhuǎn)換為380/220 V低壓，向照明和單相低壓動力源供電。母線分為兩段，利用隔離開關(guān)做兩段母線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，重要的一、二級電力負(fù)荷分別接在兩段母線上，形成雙回路供電方式，圖中虛線部分為零線N。對容量較大的負(fù)荷可單獨使用一臺低壓電柜，容量較小的負(fù)荷，可合用一臺低壓配電柜。其低壓的主接線，都由通用型的低壓配電盤組成。

圖3 380/220 V低壓供電線路設(shè)計

3 變電所保護(hù)單元的分析與設(shè)計

煤礦地面變電所供電系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)一些故障和問題，常見的主要故障為變電所接地短路，變壓器或電動機(jī)繞組短路等。本節(jié)將針對繼電保護(hù)裝置與漏電保護(hù)裝置進(jìn)行分析與設(shè)計[7-8]。

3.1 繼電保護(hù)

當(dāng)變電所供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置通過檢測到的電流或電壓信號，自動借助斷路器將故障線路切除于供電系統(tǒng)，避免電氣元件受到損害。不同故障，檢測的參數(shù)也不同，因此繼電保護(hù)裝置也有相應(yīng)的幾種類型：當(dāng)供電系統(tǒng)線路短接時，利用電流突然增大的特征，可實現(xiàn)電流繼電保護(hù)；當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生欠電壓故障時，利用電壓降低的特征，可實現(xiàn)系統(tǒng)的低壓繼電保護(hù)；供電系統(tǒng)電路老化時，利用電壓與電流比值的變化，可實現(xiàn)系統(tǒng)的阻抗繼電保護(hù)；利用電流和電壓之間關(guān)系的變化，可實現(xiàn)系統(tǒng)的方向繼電保護(hù)和差動繼電保護(hù)等等。

繼電保護(hù)裝置主要由測量部分、邏輯部分與執(zhí)行部分組成，其原理圖如圖4所示。測量部分負(fù)責(zé)比較整定值與被保護(hù)對象的實測值，判斷系統(tǒng)是否需要保護(hù)，邏輯部分分析處理測量部分檢測到的數(shù)據(jù)，根據(jù)計算結(jié)果，按照一定的邏輯關(guān)系向執(zhí)行部分輸出信號，做出一系列的保護(hù)動作，或者發(fā)出警報信號和跳閘信號等。

圖4 繼電保護(hù)原理圖

3.2 漏電保護(hù)

變電所的供電系統(tǒng)中，當(dāng)某一線路對地的絕緣電阻值降低時，經(jīng)過該路徑的電流會增大，當(dāng)增大到一定程度后，變電所供電系統(tǒng)就發(fā)生了漏電故障。漏電保護(hù)裝置的主要工作原理就是通過檢測變電所供電系統(tǒng)對地絕緣阻值的大小，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生漏電故障，當(dāng)確認(rèn)漏電后，保護(hù)裝置切斷電源回路，防止電氣元件損壞，保護(hù)附近工作人員的人身安全。

本文主要采用附加直流電源保護(hù)的原理實現(xiàn)漏電保護(hù)功能，其原理圖如圖5所示。當(dāng)變電所的供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障，最容易檢測的是對地的絕緣電阻下降，在三相對地的絕緣電阻上將直流電源導(dǎo)通，該線路電流大小的變化將反映對地絕緣電阻的變化，有效地檢測和處理這個電流就可實現(xiàn)漏電保護(hù)功能。電流和電阻的計算公式分別如下所示：

式中：U為附加直流電源的電壓，V；RSK、RLK、RkΩ、RKD與RE分別為三相電抗器線圈的電阻值、零序電抗器的電阻值、千歐表測量的電阻值、繼電器線圈的電阻值與回路中大地的電阻值，Ω；RΣ為三相電網(wǎng)相對地的絕緣電阻。

圖5 附加直流電源的保護(hù)原理圖

4 結(jié)束語

本文針對煤礦地面變電所提出了一種電氣設(shè)計方案，分別對變電所的主線路與保護(hù)單元進(jìn)行了研究設(shè)計，該方案具有較好的可行性，提高了變電所電能的利用率，降低了電能在運送過程中的損耗，整體的安全性得到了較好的保障。