淺談煤礦供電系統存在的問題和解決辦法

摘要：文章在分析淮南礦業集團現有大型煤礦供電系統現狀的基礎上，指出了繼電保護整定困難、諧波污染嚴重、系統諧振、電氣連接部分發熱、電壓波動范圍大是煤礦供電系統存在的主要問題，并給出了具體的解決方法。這些方法已在各新建礦井應用，取得了較好的效果。

關鍵詞：煤礦供電系統 繼電保護 諧波諧振

0 引言

煤礦生產中比較關鍵的輔助系統就是煤礦供電系統，煤礦供電系統安全、可靠的運營對煤礦的正常生產及運行有十分重要的意義。目前，煤炭生產技術的迅速發展，大大提高了礦井煤炭的產量，煤礦作業中也運用了大功率采煤機組和運輸設施，井下供電系統承擔的負荷就越來越多，這就要求整個供電系統必須提高供電質量。筆者根據淮南礦業集團現有煤礦供電系統的現狀，分析了煤礦供電系統中常見的問題，并給出了具體的解決方法。

1 礦井供電系統存在的問題

目前，大功率采煤機組和運輸設備被廣泛采用，也獲得了很好的發展，這就要求整個煤礦供電系統應該提升自身的供電質量。

同時，新設備的廣泛運用也為煤礦供電系統制造了困擾，比如井下壓降過大、系統諧波和諧振、電力設備發熱以及繼電保護整定值配合等問題。在某些情況下，這些問題會威脅到整個礦井的安全生

產。

1.1 繼電保護整定困難

繼電保護的整定及配置技術在目前的電力部門的輸配電系統中的應用已相當成熟。煤礦供電系統在自身的運營結構及方法的基礎上，適當引進了供電部門配電系統的繼電保護整定和配置原則，但煤礦供電系統的運行結構和方式都有自己的特點，如井下線路級數多、每條線路相對要短、負荷量大等。

1.2 諧波污染加重

電力電子技術在最近幾年獲得較快的發展，很多功率較大、性能較高的開關器件被廣泛應用于煤礦生產活動中。其中，很多電力電子設施也被逐步采用，如變頻器、可控硅等，但同時也制造了很多諧波，造成電網電壓產生波形畸變。很多變電所供電系統注入3次、5次、7次、11次諧波電流超標。

1.3 系統諧振問題

煤礦供電系統屬中性點不接地系統，變電所的母線上接有TV(電磁式電壓互感器)。一般情況下，電磁式TV會產生較大的勵磁阻抗，且三相大致保持平衡，中性點的位移電壓極小。但是消除了接地故障或經過一定的操作之后，電磁式TV三相飽和程度就出現了較大的差別，造成其和導線電容或其它設施的雜散電容之間形成了諧振回路，有激發起各種諧波的諧振過電壓的可能性。這就是因為電磁式TV鐵芯電感的磁飽和作用而激發的幅值較高，且不間斷的過電壓，通常我們稱之為鐵磁諧振過電壓。在中性點不接地系統中，很多事故都是由這種內部過電壓所致。

諧振過電壓具體體現在：單相、兩相或三相對地電壓升高，且存在低頻擺動現象；由于諧振作用帶來的高值零序電壓分量，產生“虛幻接地”問題，使保護發出錯誤的接地指示；經現場勘察后得知，與母線相接的電壓互感器曾有電流出現，發出的聲音異常。一旦有諧振現象產生，電網的某個部位就會出現過電壓，不利于電氣設備絕緣，從而出現過電流將設備燒毀，或使電磁式TV鐵芯過于飽和，從而將電壓互感器燒毀或熔斷熔斷器，還會對過電壓保護裝置的工作帶來不利影響，導致保護誤動。

1.4 電氣連接部位發熱

電腐蝕、螺栓不牢固、接觸不良以及較大的負荷等都會引起連接部位發熱，發熱部位會加快結合面的氧化速度，從而導致進一步接觸不良，這樣就呈現惡性循環的狀態。如果發現不及時，導體就可能

燒熔、斷路，嚴重者發生短路事故，尤其是開關柜內的封閉母線或高

處。

1.5 電壓波動范圍大

礦井供電系統電壓產生較大的波動，應該予以一定的關注，其體現在：1d內系統電壓發生了很大的變化；110kV變電所和地面供電電壓過高，而電壓在采煤面上過低。

以下是導致該現象的原因：

①供電系統負荷出現較大的波動，這種負荷在生產過程中比較集中；

②有的情況下需要同步啟動大型設施，產生了過大的無功沖

擊；

③需要很長的線路才能完成系統供電，無疑減小了壓降；

④電網電壓以及電廠并網負荷在很大程度上影響到了系統電壓；

⑤5%電抗器和下井回路串接，從而構成了一定的壓降。

2 解決方法

2.1 繼電保護整定困難的解決方法解決該問題，一定要修改并優化原來保護的整定值及結構配置，編制出與煤礦供電系統的繼電保護相符的整定計算及一系列配置措施，以下是整體思路：

①人們往往將電抗器安裝在下井線路上，在井上和井下，從電源到負荷方向的短路電流值的區別很大，便于辨別速斷保護動作電流。所以，應將三段式保護安裝于下井線路上，在地面變電所及下井線路安裝微機保護的變電所，其饋出線路上最好也安裝三段式保護，保護時限及整定值以配合相鄰線路。

②重新設置地面變電所至井下變電所的繼電保護，同時對整定動作電流進行優化，使該電流適應繼電保護總的原則。還要根據煤礦井下電網的不同情況，采取相應的整定措施及保護設置，以滿足縱向選擇的需求。

③對變壓器保護的復壓閉鎖值進行重新整定，按照變壓器低壓側末端故障發生時電壓元件的靈敏度來整定；另外，電流保護的動作時限要符合下井線路的Ⅲ段時限的要求，通過電壓動作值、時限兩方面，為變壓器后備保護的可靠性提供保障。鑒于保護的供電可靠性及靈敏度和，將復壓閉鎖退出為宜，換用原來的過流+限時速斷的后備保護。

④制定合理的線路配置整體方案。通過上文的介紹，對煤礦供電系統的特性進行了分析和探討，與地面10kV線路相比，短路故障更容易出現在井下供電網絡，對整體線路保護系統的方法措施作進一步改進；如果短路故障出現在井下，必須限制大電流對上級變電所主變的沖擊，同時也應使井上的過流保護動作值與井下的相互配合，還要考慮全線電壓損失以及保護系統的可選性，確定其是夠牢固、可靠。

2.2 諧波污染加重的解決途徑

解決該問題可采用無功動態補償(SVC)技術，同時完成無功補償和諧波吸收功能；也可根據諧波情況單獨設計安裝不同次數的濾波裝置；最好是從源頭上減少諧波的產生量，選擇諧波產生量少或裝有濾波裝置的電器設備。

2.3 系統諧振問題的解決途徑

系統的正常運行多半會受到鐵磁諧振的影響，這就造成了電磁式TV燒損爆炸及高壓熔絲熔斷等事故的發生。可通過以下途徑來解決上述中性點不接地系統中的問題：

①自動調整補償裝置：與供電系統中性點接入參數相符的TV中性點經消諧器及消弧線圈接地，使系統諧振問題得到解決。自動調整補償裝置，降低消弧線圈的脫諧度或全補償運行，這是因為將功率較大的阻尼電阻串入了消弧線圈的一次回路內，使阻尼率大大增加，減小了中性點諧振過電壓的幅值，使之滿足相電壓的5%～10%，若系統的消弧線圈工作電流和電容電流相等，也就是在諧振過程中，限制中性點電壓，使其不超出允許值的范圍，以此達到全補償的目標，該方法比較合理，且殘流最少。

②消弧線圈：將供電系統中的消弧線圈接在中性點處，打亂諧振條件，可對諧振過電壓起到有力的抑制作用。TV的勵磁感抗偏大，但消弧線圈的感抗較小，幾乎不可能滿足諧振條件ωL=1/ωC，因此不會引起諧振。中性點接入消弧線圈方式對于由TV鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過電壓有很好的限制作用。

③消諧器：消諧器屬于一種非線性復合電阻，它的配置比較特殊，與TV一次側中性點回路串接，其接入就等同于在TV一次側所有相對地全部接入電阻，能對阻尼過電流及TV過電壓起到有效的抑制作用，同時還可以抑制諧波的作用。

④TV開口三角繞組接電阻：考慮到對諧波的抑制作用，取得的效果會隨著電阻的減小而約變得明顯，但同時也會加劇TV的過載現象，如果單相接地和諧振時間太長，就會出現TV燒毀或保險絲熔斷的可能。如果正常運行，則應取16.5～33Ω作為接入10kVTV開口三角繞組的電阻值。

⑤其它抑制諧振過電壓的方法：選用的TV必須不易飽和，且具備良好的勵磁特性；達到系統的運行要求之后，改換防諧振式TV；將晶閘管消諧裝置或燈泡接入TV開口三角繞組，使阻尼增加，從而阻斷諧振條件的形成。但是，TV開口將分頻消諧裝置接入TV開口三角繞組或三角繞組接電阻等措施應用在實際運行中，根本無法阻止保險絲熔斷或諧振作用。當線路單相接地或產生了諧振，很明顯的就增加了TV一次側電流及因自身元件故障而無法做到消諧，這是這兩種措施最大的缺憾。將消諧器安裝于TV中性點上，當線路單相接地時可通過該法使TV各相繞組電壓在正常相電壓的范圍內不飽和，達到有效抑制鐵磁諧振的目的，使電壓互感器一次側電流減小。此外，這種方法也確保了接地指示裝置對相位以及零序電壓幅值的靈敏性。

2.4 電氣連接部分發熱問題的解決方法

當前，可借助手持式紅外線熱成像儀來解決此類問題，要求值班人員對溫度進行定期觀測，對電力設備各處的溫度進行檢測，了解其具體的發熱情況，也可以運用無線測溫預警系統測溫。

2.5 電壓波動范圍大的解決方法

①擴大電纜截面。

②選用合適的設備容量，使功率因數、負荷率得增加，從而降低無功損耗和線路壓降。

③通過無功動態補償(SVC)技術，對系統無功功率進行動態補償，穩定系統電壓。

3 結語

上文提出的煤礦供電系統存在的問題和解決辦法都是結合淮南礦業集團新建煤礦電力系統的實際情況而得出的，應用效果較好，對其它煤礦解決電力系統故障、保障電力系統安全運行具有一定的指導意義。

參考文獻:

[1]孟繁宏，李學山，張占勝.10kV電力系統諧振過電壓的原因及抑制措施[J].電氣化鐵道，2005(3):24227.

[2]徐亮.對中低壓電網過電壓限制的方法[J].電氣時代，2000(8):33235.

[3]王其軍.煤礦供電系統裝設消弧線圈的研究[J].工礦自動化，2002(4).