煤礦變電站單母線分三段設(shè)計辨析

周在陽，吳 振，張 滇，李鵬云

(1.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054;2.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

近年來，煤礦變電站設(shè)計方案中越來越多的選擇安裝3臺變壓器，正常運行時2臺運行1臺備用。為保證煤礦變電站內(nèi)1臺主變檢修或故障時，其余變壓器的容量應(yīng)能保證主變壓器的一級和二級負荷用電，且保證1條母線故障時，不能影響2臺主變壓器的正常運行，因此單母線分2段接線、內(nèi)橋接線等電氣主接線方式已不滿足煤礦供電要求，需采用可靠、靈活、經(jīng)濟的電氣主接線形式。本文主要研究2條進線3臺變壓器配置的煤礦變電站的電氣主接線方式，并針對單母線分3段接線形式，著重探討電壓互感器的并列和切換、備自投(備用電源自動投入使用裝置的簡稱)等回路的設(shè)計問題和解決措施，對今后的設(shè)計工作起到指導(dǎo)和借鑒作用。

1 2條進線3臺變壓器的變電站主接線方式選擇

《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》第12.2.2條規(guī)定礦井應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源中斷供電時，另一電源不應(yīng)同時受到損壞；第12.5.3條規(guī)定礦井地面主變電所主變壓器不應(yīng)少于2臺，當(dāng)1臺停止運行時，其余變壓器的容量應(yīng)保證主變壓器的一級和二級負荷用電[1]。這就要求煤礦變電站的設(shè)計至少要保證2回電源進線和2臺主變壓器，且要求電源進線、主變壓器的事故保證率為100%。

選擇3臺變壓器，正常運行時2臺運行1臺備用，與2臺變壓器的變電站相比，單臺變壓器的容量要小的多。按照事故保證率100%考慮，假設(shè)3臺變壓器配置的變電站需2臺變壓器承擔(dān)100%的負荷，2臺變壓器配置的變電站在事故情況下1臺變壓器承擔(dān)100%的負荷，則3臺變壓器配置的變電站內(nèi)單臺變壓器的容量選擇僅為2臺變壓器配置的變電站中單臺變壓器容量的50%，且變壓器能在經(jīng)濟負荷率下運行，若1臺變壓器檢修或故障，不會間斷供電，供電可靠性較高，并可以根據(jù)負荷增長分期建設(shè)第3臺變壓器，經(jīng)濟性較好。若選擇2臺變壓器，當(dāng)一臺變壓器檢修或故障時，另一臺變壓器需滿負荷運行，導(dǎo)致變壓器運行經(jīng)濟性變差，因此3臺變壓器的模式在煤炭變電站中的應(yīng)用越來越多。

方案1：雙母線接線形式[2]。每一回路都經(jīng)1臺斷路器和2組隔離開關(guān)分別與2組母線連接，母線之間通過母線聯(lián)絡(luò)斷路器連接；可靠性和靈活性大大提高，但是倒閘操作比較復(fù)雜，運行中隔離開關(guān)作為操作電器，容易發(fā)生誤操作；且當(dāng)母線發(fā)生故障時，需短時切換較多的電源和負荷，配電裝置復(fù)雜，投資較多，經(jīng)濟性差；若用于110 kV變電站時可采用雙母線電氣主接線。

方案2：單母線分3段接線形式。3臺變壓器分別接入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線上，2條進線分別接在Ⅰ、Ⅲ段母線上，Ⅱ段母線不外接負荷，為節(jié)約投資，僅在Ⅰ、Ⅲ段母線上裝設(shè)電壓互感器。此種接線方式在設(shè)置3臺主變壓器的35 kV變電站或110 kV變電站的中低側(cè)應(yīng)用較多，電氣主接線如圖1所示。

文中主要討論單母線分3段接線在煤礦變電站設(shè)計中存在的問題和對策。

2 備自投裝置在單母線分3段接線的設(shè)計

2.1 分段斷路器位置及備自投閉鎖問題

備自投裝置是一種安全自動裝置，能有效提高供電可靠性[3]。但備自投裝置一旦發(fā)生不正確動作，將造成大范圍停電事故[4]。因此在設(shè)計中應(yīng)充分考慮單母線分3段接線模式下備自投回路的設(shè)計，防止發(fā)生備自投裝置的不正確動作。

圖1 單母線分3段電氣主接線Fig.1 Electrical main connection of single busbar in three sections

《煤礦安全規(guī)程》(2022)第436條規(guī)定正常情況下礦井電源應(yīng)采用分列運行方式。因此在煤礦變電站設(shè)計中優(yōu)先考慮用分段備自投的方式恢復(fù)供電。

對單母線分3段的接線形式，當(dāng)一條線路檢修或其他原因退出運行時，所帶的負荷必須由相應(yīng)的分段斷路器轉(zhuǎn)至另一條線路上，這時2個分段斷路器在合閘位置，3段母線并列運行。以現(xiàn)有工程為例，備自投裝置采用國電南自PSP-641U[5]，備自投接線示意如圖2所示。

圖2 分段備自投方式示意Fig.2 Schematic diagram of sectional standby automatic switching mode

正常運行時，煤礦變電站單母線分3段接線有3種運行方式：①分段斷路器3DL、4DL在分閘位置，1DL、2DL在合閘位置；②分段斷路器3DL在分閘位置，1DL、2DL、4DL在合閘位置；③分段斷路器4DL在分閘位置，1DL、2DL、3DL在合閘位置。

備自投裝置應(yīng)能適應(yīng)前述任一種運行方式下的分段備自投功能，若任一條線路故障時，只需要合上處于分閘位置的分段斷路器即可恢復(fù)供電。因此本備自投的分段斷路器位置接入需要把3DL、4DL分段斷路器的位置串接，即只有當(dāng)2個分段斷路器均處于合閘位置時備自投裝置才放電。

若任一母線發(fā)生故障，為防止備自投到故障母線上，造成全站停電，對煤礦安全造成極大影響，應(yīng)采取措施防止類似事故的發(fā)生。若配置有母線差動保護，則母線差動保護動作應(yīng)閉鎖備自投裝置；若未配置母線差動保護，一般煤礦變電站的進線側(cè)安裝有線路保護裝置，可利用相應(yīng)的進線保護來閉鎖備自投[6]。

2.2 備自投跳線路斷路器控制回路問題

備自投裝置接入斷路器控制回路時，備自投跳線路斷路器要接在保護跳閘開入位置上，跳線路斷路器的同時應(yīng)閉鎖線路重合閘。備自投動作時不能將合后繼電器置分位，備自投合分段斷路器要接在手合開入接點，動作時將合后繼電器置合位。若備自投跳線路斷路器時接到了手跳開入位置，備自投采樣線路斷路器的合后位置開入消失，備自投裝置將判斷是人工操作，引起備自投裝置放電，造成備自投裝置拒動。

在PSP-641U備自投裝置的動作邏輯中，跳進線開關(guān)的同時，開出1付接點接至線路保護閉鎖重合閘輸入；合分段斷路器時，僅有1付分段斷路器的合閘接點，為同時實現(xiàn)2個分段斷路器的合閘，可采用以下2種方法。

方法一：備自投裝置同時輸出2付分段斷路器的合閘接點，此方法需要與廠家溝通，提供具備該功能的備自投裝置。

方法二：采取外置中間繼電器拓展2付合閘接點，設(shè)計人員在設(shè)計時可結(jié)合實際情況取舍。

2.3 備自投裝置的定值整定問題

除備自投回路接線必須正確外，備自投裝置定值的整定也是實現(xiàn)備自投功能的關(guān)鍵，兩者不可或缺，需通過傳動試驗進行驗證無誤后方可投入。備自投裝置的軟壓板和控制字均按照設(shè)定的備自投方式進行整定，其動作時間應(yīng)大于本級線路電源側(cè)后備保護動作時間，需要考慮重合閘時，還應(yīng)大于本級線路電源側(cè)后備保護動作時間與線路重合閘時間之和，同時應(yīng)大于工作電源母線上運行電容器的低壓保護動作時間[7]。

3 單母線分3段接線電壓回路設(shè)計

電壓并列裝置和電壓切換裝置都是變電站中的重要裝置，電壓并列裝置在雙母線接線、母線分段接線、橋接線等接線方式下，當(dāng)一母線電壓互感器檢修時，將兩段電壓回路并列，保證站內(nèi)二次設(shè)備的電壓正常。在雙母線接線方式下，電壓切換裝置可根據(jù)母線刀閘的位置，自動切換到相應(yīng)母線電壓互感器的二次電壓。近年來，因電壓并列、切換裝置并列切換異常造成的事故屢有發(fā)生[8 -11]，因此在設(shè)計中應(yīng)充分考慮單母線分3段接線模式下電壓的并列、切換回路。

如圖2所示，煤礦變電站采用單母線分3段接線，為減少投資，不在Ⅱ段母線上安裝電壓互感器，僅在Ⅰ、Ⅲ段母線上安裝，因此在電壓回路設(shè)計中，與常規(guī)單母線分段接線相比，不僅涉及到Ⅰ段、Ⅲ段母線的電壓并列回路，還涉及到Ⅱ段母線的電壓切換回路。

3.1 電壓并列回路

電壓互感器二次回路并列的條件是一次母聯(lián)斷路器或分段斷路器在合閘位置，且兩側(cè)隔離開關(guān)也在合閘位置，即只有在一次并列的情況下，其二次電壓回路才允許并列，嚴禁一次未并列的情況下將二次并列。因此要實現(xiàn)Ⅰ、Ⅲ段母線的電壓并列，必須滿足2個分段斷路器和2個隔離柜均在合位的條件。

常規(guī)變電站站內(nèi)的電壓并列二次回路是由母聯(lián)(分段)斷路器及兩側(cè)刀閘的輔助接點與中間繼電器構(gòu)成硬件接點回路，實現(xiàn)二次電壓的并列。對單母線分3段接線模式，需2個母聯(lián)(分段)斷路器位置和2個隔離柜的位置接點串接來實現(xiàn)電壓并列。

3.2 電壓切換回路

電壓并列裝置僅能實現(xiàn)Ⅰ、Ⅲ段母線間的電壓并列，而不能實現(xiàn)Ⅱ段母線電壓的選?。籌I段母線電壓既可取I段母線電壓，也可?、蚨文妇€電壓，因此需要對Ⅱ段母線電壓單獨處理。

Ⅱ段母線經(jīng)2個隔離柜、2個分段斷路器跨接在Ⅰ段、Ⅲ段母線上，與雙母線接線的進出線一致，因此Ⅱ段母線電壓采用電壓切換裝置進行電壓切換。若1DL和3DL斷路器在合閘位置時，Ⅱ段母線電壓?、穸文妇€電壓；若2DL和4DL斷路器在合閘位置時，Ⅱ段母線電壓取Ⅲ段母線電壓。

當(dāng)進線2檢修或故障時，進線1帶全站負荷，此時若1DL、3DL和4DL斷路器均在合閘位置時，電壓切換裝置將會發(fā)出“切換繼電器同時動作”，若Ⅰ、Ⅲ段母線存在電勢差，將會在電壓切換回路中形成很大的電流，有可能燒毀電壓切換繼電器，且此時若某一電壓二次回路出現(xiàn)故障，將有可能造成兩段電壓回路失電，造成全站的二次電壓回路失電，嚴重威脅變電站的安全運行。文獻[12]對兩段母線的電壓切換回路作了改進，將分段斷路器的常閉接點并聯(lián)后串入切換回路，當(dāng)2個分段斷路器同時合閘時，Ⅱ段母線僅能?、蠖文妇€電壓，若此時Ⅲ段母線電壓互感器故障或檢修，Ⅱ段母線電壓將會無法取得電壓。

因煤礦變電站一般分列運行，2條電源進線僅在運行方式變更時存在短時并列，為避免2個分段斷路器合閘時，2個電壓互感器長時間處于并列的可能，在電壓切換回路里串接入對應(yīng)進線斷路器的動合接點，若1DL、3DL、4DL合閘，進線2DL分閘，此時Ⅱ段母線電壓將取的是Ⅰ段母線電壓；若2DL、3DL、4DL合閘，進線1DL分閘，此時Ⅱ段母線電壓將取的是Ⅲ段母線電壓，其中3G、4G為分段隔離柜的位置接點，切換回路如圖3所示。

圖3 Ⅱ段母線電壓切換回路Fig.3 Voltage switching circuit of section Ⅱ busbar

4 結(jié)語

著重討論2條進線3臺主變配置的煤礦變電站設(shè)計中存在的問題，提出解決措施，且已在實際工程中得到應(yīng)用，對煤礦變電站運行的可靠性、經(jīng)濟性和安全性大有裨益，可為類似變電站的設(shè)計提供借鑒和參考。