礦井井下供電的綜合自動化技術(shù)分析

高鳳山

（鐵煤集團(tuán)內(nèi)蒙古東林煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013350）

1.引言

隨著煤礦運(yùn)輸設(shè)備和采煤機(jī)組的不斷應(yīng)用，礦井井下供電系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)和壓力。要采用先進(jìn)的綜合自動化技術(shù)，加強(qiáng)井下供電監(jiān)控監(jiān)測，提高供電的安全可靠性。

2.礦井井下供電系統(tǒng)存在的問題

礦井井下供電系統(tǒng)存在的問題主要表現(xiàn)在三方面。一是繼電保護(hù)配合問題，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)整定方案無法與上級線路保護(hù)相配合，降低了保護(hù)裝置的穩(wěn)定可靠性；二是諧波電流問題，開關(guān)元件應(yīng)用普遍，由此帶來了諧波影響和干擾的，同時，礦井井下供電裝置大多采用四象限變流技術(shù)的大功率變流裝置，存在大量的高次諧波，容易降低電氣設(shè)備運(yùn)行效率，引發(fā)各種電氣故障；三是系統(tǒng)諧振問題，供電系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地，電壓互感器、電纜電容及其他設(shè)備的雜散電容間極易形成振蕩回路，使電壓保護(hù)裝置在過電壓干擾下出現(xiàn)保護(hù)誤動。其他問題還包括供電線路長、負(fù)荷大，設(shè)備啟動困難等等。

3.礦井井下供電系統(tǒng)的優(yōu)化方案

一是礦井井下繼電保護(hù)整定。根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定繼電保護(hù)并優(yōu)化其整定電流值，在下井線路上設(shè)定時限過流保護(hù)、限時速斷保護(hù)和瞬時速斷保護(hù)三點(diǎn)式保護(hù)，使保護(hù)時限、整定值與相鄰線路配合。重新設(shè)定變壓器保護(hù)的負(fù)壓閉鎖值，保證變壓器后備保護(hù)的可靠性。二是礦井井下諧波治理優(yōu)化方案，即在整流變壓器的供電母線上安裝諧波濾波器，進(jìn)行供電系統(tǒng)的測試與計算，設(shè)計一套靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC），利用濾波裝置進(jìn)行補(bǔ)償和濾波，保證系統(tǒng)電壓的平穩(wěn)性。三是消除系統(tǒng)諧振的優(yōu)化措施，即通過改變電容、電感參數(shù)的方式，采用自動調(diào)諧補(bǔ)償裝置、中性點(diǎn)接入?yún)?shù)適宜的消弧線圈、電壓互感器中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地等方法，較好地消除系統(tǒng)諧振現(xiàn)象。

4.礦井井下供電自動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用分析

4.1 礦井井下供電系統(tǒng)概況

副井井底附近設(shè)有10 kV中央變電所，雙回路10 kV電源引自地面變電所不同母線段，選取交聯(lián)鎧裝銅芯電纜沿副立井井筒敷設(shè)下井，敷設(shè)長度為285 m；中央變電所中安裝一臺礦用隔爆干式變壓器和14臺高壓開關(guān)柜10臺低壓開關(guān)，高壓開關(guān)柜向三臺主排水泵、西一采區(qū)變電所、西一四煤采區(qū)變電所、東一高壓配電點(diǎn)提供10 kV高壓電源，三臺主排水泵電源分在兩段母線上，各采區(qū)變電所都為雙電源供電。各采區(qū)變電所向不同回采工作面供電。井下變電所及高壓配電點(diǎn)采用隔爆型干式變壓器和礦用隔爆式高壓開關(guān)及低壓開關(guān)供電，掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)則采用雙風(fēng)機(jī)雙電源自動切換的“三?！惫╇姺绞剑苍O(shè)有風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置。

4.2 礦井井下供電自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

當(dāng)前礦井大多采用綜合自動化系統(tǒng)，如礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)等，不斷推進(jìn)礦井作業(yè)的自動化和信息化水平。

礦井井下供電自動監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求方面，礦井井下電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)了過電流保護(hù)、漏電保護(hù)、保護(hù)接地三大保護(hù)，其過電流保護(hù)是指電氣設(shè)備和電纜的電流超出其額定電流，降低電氣設(shè)備和電纜出現(xiàn)短路、過負(fù)荷、斷相等過流故障幾率。漏電保護(hù)主要是對電網(wǎng)集中性漏電和分散性漏電的保護(hù)；保護(hù)接地是采用導(dǎo)線將電氣設(shè)備金屬外殼和框架與埋在地下的接地極相連，實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備的保護(hù)。礦井井下供配電設(shè)備及綜合保護(hù)器的功能要求主要體現(xiàn)于以下方面：一是選擇性。保護(hù)裝置要具有動作的選擇性，能夠合理地選用保護(hù)方式，正確整定計算和調(diào)整試驗，較好地保證無故障設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，最大程度縮減停電范圍。二是快速性。在電力系統(tǒng)的短路故障下，有極大的短路電流，使系統(tǒng)電壓大幅下降，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。對此可以采用井下供配電設(shè)備和綜合保護(hù)器快速切除故障設(shè)備，保證非故障部分的正常穩(wěn)定運(yùn)行。三是靈敏性。保護(hù)裝置要具有足夠的靈敏性，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時進(jìn)行保護(hù)。四是可靠性。保護(hù)裝置要正確反映保護(hù)范圍內(nèi)的正常運(yùn)行和故障狀態(tài)，保證做到不誤動和不拒動。五是防越級跳閘。注重開關(guān)及保護(hù)設(shè)備的選型，要選取相同型號的開關(guān)及保護(hù)接線方式，避免保護(hù)方式不同而導(dǎo)致開關(guān)誤跳閘的問題。

礦井井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的綜合自動化關(guān)鍵技術(shù)包括四方面。一是設(shè)計并采用智能采集器。考慮到礦井井下空間狹窄、環(huán)境潮濕且存在涌水、瓦斯、煤塵等現(xiàn)狀，要設(shè)計和選用適宜的智能采集器，利用該裝置監(jiān)測礦井井下供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)礦井井下供電的在線實(shí)時監(jiān)測、控制和遠(yuǎn)程遙控，并要保證智能采集器的連線，要使高壓真空開關(guān)內(nèi)的綜保電路和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立工作，有效實(shí)現(xiàn)智能采集器的光電隔離。智能采集器的電源設(shè)計和選型融合了隔爆技術(shù)、本安技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和UPS技術(shù)，可以選擇應(yīng)用DC24V和DC18V本安型電源，利用其雙重化的穩(wěn)定輸出和雙重化過流保護(hù)的功能，為智能采集器提供電源支持。如圖1所示，通過K7805芯片和隔離電源B0505轉(zhuǎn)化為5V電源，利用隔離電源B0505進(jìn)行兩個電源的隔離，有效隔離地線噪聲、高共模電壓。二是通信技術(shù)?；诠I(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建高速光纖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井下供電監(jiān)測主站與各監(jiān)測分站之間的數(shù)據(jù)鏈接和傳輸，各個監(jiān)測分站通過RS485通信接口連接到井下高速環(huán)網(wǎng)交換機(jī)并實(shí)時通信。三是雙向通信技術(shù)。設(shè)計選用雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)，通過雙口RAM進(jìn)行供電數(shù)據(jù)的暫存、緩沖等操作，實(shí)時快速地將井下各變電所的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測分站，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的雙向?qū)崟r在線通信和監(jiān)控。四是系統(tǒng)的分、合閘。由專人進(jìn)行礦井井下供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離分、合閘操作，通過計算機(jī)操縱執(zhí)行主站端控制命令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離分、合閘的專線傳輸、實(shí)時監(jiān)測和定時中斷。

圖1 礦井井下供電智能采集器的電源設(shè)計圖

4.3 礦井井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)采用100/1000M工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)平臺，在計算機(jī)集中遠(yuǎn)程控制下，實(shí)時在線獲悉礦井井下安全、工況、圖像等信息，實(shí)現(xiàn)對井下電氣設(shè)備的有效管控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 礦井井下供電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一是地面監(jiān)控主站。在地面生產(chǎn)調(diào)度中心配置兩臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，即：實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器，操作監(jiān)控主站配置兩臺工業(yè)控制計算機(jī)，實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行變電所系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份，Web服務(wù)器則進(jìn)行變電所系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)的對外發(fā)布，及時獲悉設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行參數(shù)，并以調(diào)度中心和機(jī)房作為變電所監(jiān)控系統(tǒng)的核心樞紐，實(shí)現(xiàn)管控一體化。二是井下監(jiān)測分站。在礦井井下供電監(jiān)控系統(tǒng)綜合自動化之中，要設(shè)計和應(yīng)用井下電力監(jiān)測分站，內(nèi)設(shè)高性能工業(yè)嵌入式通訊服務(wù)器、供電電源、光端設(shè)備，采用分層分布式系統(tǒng)，滿足礦井井下綜合自動化系統(tǒng)的功能要求，體現(xiàn)出高可靠性、靈活性和可擴(kuò)展性。主要采集、過濾和置換井下中央變電所、三下和四采區(qū)變電所綜保器及高低壓開關(guān)的狀態(tài)、母線電壓/電流/有功功率/無功功率等參數(shù)，由井下監(jiān)測分站進(jìn)行數(shù)據(jù)計算、分析和存儲，再經(jīng)由井下以太環(huán)網(wǎng)將其傳送至地面監(jiān)控主站。

5.結(jié)語

礦井井下供電系統(tǒng)的優(yōu)化方案，需要加強(qiáng)供電監(jiān)測監(jiān)控，實(shí)時在線獲悉井下中央變電所及各采區(qū)變電所的運(yùn)行狀況，獲悉母線各個電氣參數(shù)，在綜合自動化技術(shù)的支持下真正實(shí)現(xiàn)“五遙”功能，更好地推進(jìn)煤礦企業(yè)生產(chǎn)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化。