煤礦供電保護系統技術的改造研究

摘要：隨著社會對煤礦資源需求量的與日俱增，在做好煤礦企業的日常管理工作外，還必須保證煤礦供電系統的安全。煤礦的供電保護系統是煤礦企業正常運營的關鍵點，只有不斷對改進供電系統的技術加強研究，才能牢牢把握住煤礦企業的生存發展，這對煤礦企業的供電技術安全來說有著重要的實際意義。

關鍵詞：煤礦企業；供電保護；系統改造；越級跳閘；誤動作 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM764 文章編號：1009-2374（2015）24-0152-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.075

為了提高礦井采煤工作的安全系數，避免因供電問題而引發的安全事故，相關煤礦企業部門應該采取科學合理的管理措施，不斷改進煤礦供電系統的安全技術。本文主要以煤礦供電保護系統的安全為主線，結合自身的工作實踐和相關的工作經驗，系統地闡述了煤礦供電保護系統的改造研究技術。

1 煤礦供電保護的現狀

整個煤礦行業的高效安全生產對供電系統提出了一系列更高的要求。由于煤礦采煤的工作面不斷擴大，使得供電線路不斷深入礦井末端，在礦井底層的惡劣環境下，供電線路的安全也不斷受到影響。目前，大多數煤礦企業都出現了越級跳閘、保護裝置不完善、誤動作增加、保護裝置的通訊能力下降等問題，嚴重威脅著煤礦供電系統的安全。

1.1 越級跳閘的線路問題

當前的煤礦企業供電系統大多都存在失壓保護零時延以及速斷電路的過流保護定值無法固定等問題，這些問題直接影響了煤礦企業安全高效的正常采煤工作，甚至出現供電系統過流、漏電以及短路的問題，特別是供電系統的越級跳閘問題，極大地威脅著煤礦的安全運營。越級跳閘是由于煤礦井下的失壓保護動作不能整定，加上母線上的其他開關正好位于母線與饋線距離段上，一旦保護器的時延為零，就會引起母線上的其他開關出現失壓保護誤動作，也就造成了供電系統的越級跳閘。因為礦井內環境復雜，無法將線路整定保護定值，又缺乏相應的最小保護范圍，這就使供電系統的主保護失去全面控制，一旦礦井線路出現短路，速斷過流保護又無法及時控制，就會出現越級跳閘，導致煤礦的供電系統癱瘓，影響采煤工作的進度。

1.2 誤動作的產生

誤動作的產生也是煤礦供電系統經常出現的問題，一般情況下，如果供電系統的漏電保護功能失控，其本身所具有的抗電磁干擾能力就會下降，進而引起數據傳輸和處理數據的速度變慢，在礦井環境下，一旦出現漏電或者電纜接地的現象，就會導致供電系統的上下級零序電流支路無法固定在穩定的范圍內，進而產生誤動作。誤動作的產生使煤礦供電系統的漏電保護功能無法集中選線功能，并且也在一定程度上影響整個線路的恢復，對煤礦企業的正常產煤工作造成了效益上的損失。

1.3 保護裝置的功能不健全

煤礦企業的供電系統結構復雜，每一個環節出錯都會影響整個供電系統的安全。當前我國的很多煤礦企業在供電保護裝置上都出現設置簡單、功能不健全的問題，這些供電系統的保護功能或者其他功能，是實現供電系統改造的關鍵。比如，煤礦企業的通訊功能，如果此功能喪失就會導致供電保護裝置的遙控、遙信、遙脈以及遙測等功能的缺失，由于通訊裝置是礦井采煤工作不可或缺的重要環節，所以就必須及時安排值班人員進行及時處理，不但影響了煤礦工作的正常進度，還在一定程度上增加了工作人員的壓力。再例如，如果缺失了故障的錄波功能，將會直接影響故障數據收集的不全面，導致對故障錄波的分析不到位。所以，供電系統的保護裝置對整個煤礦企業正常運營來說也是至關重要的，必須建立完善全面的供電系統保護裝置。

2 提升煤礦企業供電系統安全性的策略

眾所周知，煤礦工作的礦井環境惡劣，并且在礦井中存在很多的易燃易爆物質，包括大量的煤塵和瓦斯，所以，如果供電系統出現問題，導致有短路或者明火產生時，就非常容易引起瓦斯爆炸，對煤礦工作的正常進行產生極大的安全隱患。

2.1 提高煤礦供電系統的可靠性

對于煤礦的供電系統安全可靠性來說，最主要的是要保證礦井的供電正常并且可以持續供電，要想確保煤礦企業的持續供電，就必須設置礦井下的兩回源線路供電，將這里的兩回源線路分別從不同的變電所或者發電廠引出，避免兩個電源同時出現斷電，一旦礦井斷電，就會影響礦井的正常運作，甚至威脅到礦井里面工作人員的生命安全以及工作設備的損壞，所以備用兩個電源將會在很大程度上提高供電系統的可靠性，另外，無論是哪一個電源都應該保證電源的電容能夠滿足礦井整個工作用電負荷的需要。煤礦企業的供電系統需要一個絕對安全的保證，所以還可以與煤礦附近的發電廠形成合作關系，在發電廠與煤礦企業之間設置故障應急措施，在煤礦的供電系統安全工作中多加一層防護。

2.2 保證煤礦企業供電系統的健全

煤礦企業的供電保護是保證整個用電安全的關鍵，特別是低壓供電保護系統，應該嚴格按照分級閉鎖和選擇性斷電的基本原則，在進行保護設計和低壓供電技術的進一步改造中，要盡量體現供電系統的節能型和經濟性，適當選擇新斷電控制，以便更加穩固煤礦中一系列機電設施的高效應用性，全方位健全低壓繼電保護裝置，避免煤礦操作工人由于意外不當操作引發安全事故。

2.3 煤礦供電系統越級跳閘的解決方案

科學合理的構建防越級跳閘保護系統是確保煤礦工作人員生命安全與煤礦企業可持續發展的重要手段。煤礦供電防越級跳閘保護系統具有高安全性、高性能、高穩定性等優點，是進行全站網絡數據共享的數字改革供電保護系統，能最大效度地解決煤礦供電系統中的越級跳閘問題，該系統的線路是通過點對點光纖保護通信網絡的差動保護光纖模式。這樣科學合理的越級跳閘保護系統，在一定程度上開辟了煤礦供電保護的新征程，也極大地提高了煤礦企業用電的可靠性和安全性。

2.3.1 數字式光纖差動保護原理與穩定機制。數字式光纖差動保護原理是從兩個角度進行分析的，一是瞬時采樣值的差動電流保護，它的主要功能是分辨故障是在哪個發生區，二是故障分量電流差動保護，通過一定的判斷形成差動保護，如果假設i1和i2分別表示線路兩端的電流瞬時值，將整定值設為I，制動系數為K。那么，整個的電路保護自動方程式就可以表示為|i1+i2|>I以及|i1+i2|>K|i1-i2|。要使保護系統的制動保護效果達到最佳狀態，就必須滿足瞬時采用值電流差動保護采用盤踞窗大于90度的標準。

2.3.2 小電流的接地選線功能。該方法主要是采用消弧線圈并聯中值電阻，一般分為主動式選線和被動式選線兩種，前者又包括消弧圈并聯中值電阻法、殘留增量法以及注入法。通過改變供電系統的運行方式或者結構。后者由于存在理論上的爭論，在實際的煤礦保護系統設計中不經常使用。消弧線圈并聯中值法的工作原理是：在供電保護系統處于正常狀態下，中值電阻不會投入系統，但是會在一定程度上受到感性電流和與其相等的容性電流的影響，出于消弧線圈的跟蹤影響，導致感性電流與容性電流相反。當出現單線電弧的電流接地故障時，可通過消弧線圈的跟蹤作用，是電弧熄滅，引起故障點的電流快速減少，最終故障消失。當出現永久性接地故障時，結合消弧線圈的跟蹤作用，致使中值電阻的投入時間縮短，可以較明確分辨非故障電路與故障電路，便于選線。

2.3.3 差動保護運行存在的問題以及解決方案。一般情況下，差動運行過程中存在的問題有CT飽和、誤碼校驗、電容電流問題以及同步化處理等問題。CT斷線與CT飽和問題在本質上是不同的，一旦出現誤動作，也許不是CT斷線引起的，但是可能是發生在區外故障引起的誤動作，所以，煤礦企業的供電故障排查一般依據較為成熟的CT斷線檢測CT是否出現斷線。針對弱饋問題，可以設置一個低壓輔助啟動軟件，當氣動元件的定值高于供電系統的電壓，非弱饋側就會通過驅動電流差動保護出口，進一步解決故障的問題。

數字式光纖差動防越級跳閘保護系統，由于設備功能齊全，運行穩定，可以很大比例上避免跳閘發生，所以在提升了煤礦供電系統的安全性和可靠性上，進一步提高了煤礦企業的經濟效益。

3 煤礦供電系統的監控系統

3.1 監控系統的結構與功能

煤礦供電系統的監控系統一般由監測與保護裝置、監控中心、通信傳輸網絡組成，首先，監測與保護裝置主要是為了防護礦井下防爆開關以及礦井上微機保護開關。其次，就是由光纖環網交換機、光纜電纜以及監控分站構成的通信傳輸網絡。最后，關于監控中心的結構，是由UPS電源、操作軟件和打印機等硬件組合而成。

供電系統的監控功能是通過實時數據和收集和顯示，以曲線或者圖表的形式展示出各開關的變化情況。監控中心還可以實現遠程監控，即使無人值守，也能及時掌握電氣設備的情況。一旦電路發生故障，可以迅速準確辨別故障位置，以最快時間實現人員撤離，保證煤礦工作人員的生命安全。

3.2 供電監控系統的發展趨勢

隨著社會科學技術的不斷發展，煤礦供電監控系統也正逐漸朝著智能化發展，不僅具備報警、查詢、“四遙”等功能，還增加了防越級跳閘、故障診斷以及預測方面的功能。這里著重介紹一下供電監控系統的故障診斷和預警功能。

煤礦供電系統的監測和預警功能對煤礦企業的正常運營起著至關重要的作用，也是今后監控系統技術改造的重點研究方向，通過對各種電氣設備數據的積累分析，結合智能化的數據庫技術，已經能實現設備的實時監控，比如，煤礦上的高壓電纜監測與故障診斷預警設備，可以通過監控系統監測電纜的絕緣問題，根據運行狀態預防故障的發生。并且，隨著Petri網、遺傳算法、模糊理論、人工神經網絡等故障診斷應用，將診斷的準確率大大提高。

在不斷改善的診斷過程中，粗糙集理論與希爾伯特-黃變換相結合的診斷方法，在煤礦供電系統中起著更加精準的診斷作用，能夠快速對電路中的短路、斷路、電磁諧振等進行準確而快速的診斷。

4 煤礦供電保護系統的改進策略

4.1 健全供電繼電保護系統

4.1.1 加強繼電保護裝置。礦井中的電路環境有限，底層的低壓電路需要對電動機的控制設備進行直接供電，這就需要對供電系統進行電流負荷保護、漏電閉鎖保護、短路控制以及遠程控制等。關于礦井下的高壓電動機，為了滿足變壓器中的高壓控制，也應該具備短路、過負荷、欠壓釋放保護、接地等保護措施。

4.1.2 不斷引進先進的科學技術。在煤礦產業日益繁榮發展的今天，我們不僅僅關注煤礦企業的高產量生產，還要更加注重煤礦管理中的科學技術應用，全面保護煤礦各項工作的順利進行，保證煤礦工人的生命財產安全。通過不斷引進先進的科學技術，積極改進煤礦供電保護系統，并實施到煤礦的正常運營中，減少煤礦供電系統故障的頻繁發生，避免安全事故發生。

4.1.3 配備短路、過流保護裝置。煤礦企業可以根據礦井作業的實際情況，選擇有針對性的繼電保護裝置，但是必須配備電網中最大的三相短路電流驗證開關設備，選擇合適的熔斷器，避免事故發生時熔斷器不熔的現象，對設備的啟動和故障保護裝置要進行準確的校準，確保穩定可靠的動作系數，選用具有快速分斷功能的開關設備，保證超大容量的電氣設備及時準確的啟動。

4.1.4 在電氣裝置引入監測系統。在煤礦企業中，較為保險的電氣設備運行是需要引入監測系統的。在對電氣裝置和礦井電網進行監測的過程中，結合監測系統顯示出的正確數據可對供電系統的故障和故障原因以及故障位置進行合理推測，進而較快速的發現故障并及時處理故障，降低了煤礦企業電氣設備的損壞，相對應提高了煤礦的生產效率。

4.1.5 優化布設實施。優化布設對礦井供電的穩定性和安全性是非常重要的，也是煤礦供電保護系統改進技術中不可或缺的。一般情況下，對供電系統實施調整、分段供電、提高礦井供電電壓以及完善相關設施設備等，都是優化布設實施的必要過程，對煤礦企業的供電系統安全性和可靠性起著非常關鍵的作用。

4.1.6 檢修和維護供電裝置。檢修和維護供電裝置是煤礦企業供電系統保護中不應忽視的一個重要環節。及時檢修不合格或者老化的電氣設備和線路等，可以在提高供電設備的安全性，礦井的供電系統裝置一般都是有使用年限的，并且在礦井下存在較快速的磨損與消耗，需要經常關注供電設備以及電路系統的調整與升級，及時完善必要的檢修維護，保證供電設備的良好性能。比如，如果在供電保護系統的檢修過程中，發現礦井的防爆電氣設備損壞或者性能降低，那就必須與設備管理部門及時聯系，并在最短的時間內完成損壞設備的更換，減少裝置出現故障的頻率，保證礦井供電系統的正常工作，促進煤礦企業的快速發展。

4.2 礦井下供電系統的優化

礦井供電系統的優化采用了供電的雙回路模式，不僅可以達到采煤、挖掘與運輸等環節之間的獨立運行供電，還保證了煤礦工作的產煤效率。除此之外，優化模式還包括高壓深入采煤區域以及雙風機雙電源的供電系統，從根源上防止了大面積的井下斷電，為煤礦企業的發展提供了極大生產便利。

4.2.1 采取采、掘供電分開模式。在煤礦的采礦生產中，礦井下采煤和挖掘等輔助運輸過程相互之間存在一定的影響。一旦出現供電問題，就會導致“井下停電，影響一片”的后果，所以在優化礦井的供電系統時，應該合理規劃采煤、挖掘與運輸之間的供電模式，適當考慮從發電廠開始，進行分開供電模式，減少礦井開采的眾多環節之間的相互影響，采用各電源設備負荷專用配電開關，確保獨立供電，即使采煤工作的其中一個環節停電，也不影響其他環節的正常工作。

4.2.2 高壓深入采煤區域。由于綜合采煤機組和機組相關運輸設備的功率都較大，消耗更多的電能和壓力，所以應該進行合理調整，實現移動變電站和供電設備開關兩者共同構成的電壓設備，完善電壓協同工作模式，避免由于電氣設備過流保護不當引起的斷電現象。同時，也可以借鑒新型的移動變電站方式，以電荷大小朝向中心電荷移動，保證供電系統的正常使用。

4.2.3 掘進工作面采用雙風機雙電源。在掘進工作面采用雙風機可以解決無計劃停風的問題，使用雙電源可以在很大程度上保證雙風機持續不斷供電。在持續供電供風的條件下，可以實現礦井挖掘工作的高效率生產，另外，雙風機與雙電源共同支持挖掘工作，可以給設備檢修人員提供便利，對設備的維護工作也起到了積極的促進作用。

5 結語

綜上所述，煤礦企業在優化供電設施的同時，應該結合煤礦企業的實際發展趨勢以及礦井下面的運行狀況，統籌整個供電系統并著眼于每一個煤礦供電的細節問題，以最大的效率完成科學合理的改進設計，不僅要保證煤礦工人的生命安全，還要兼顧煤礦企業實現最大經濟效益，促進整個煤礦行業的快速、安全、可持續的發展。

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作者簡介：劉會軍（1974-），男，湖北鄂州人，神華新疆能源有限責任公司工程師，研究方向：電氣自動化。

（責任編輯：蔣建華）