青龍煤礦供電系統可靠性治理實踐

摘 要：本文通過對青龍煤礦供電系統結構及運行情況進行全面分析，發現影響礦井供電系統穩定運行的主要因素有以下幾個方面：一是礦井架空線路遭受雷擊引起本礦線路上級的開關跳閘或重合閘導致礦井大面積停電；二是電網波動或上級電網重合閘引起本礦供電系統失壓動作或系統跳閘導致礦井大面積停電；三是本礦供電系統近端短路引起越級跳閘導致礦井大面積停電。針對以上影響礦井供電系統穩定運行的三大主要因素，我們采取了架空線路架設全線避雷線、分段避雷器引雷、重點位置安設主動引雷器等綜合防雷措施；礦井供電系統保護裝置失壓延時設計；系統短路速斷廣播式通訊閉鎖防越級跳閘保護等措施。實踐證明，通過以上措施的實施，能有效提高礦井供電系統的穩定性與可靠性，有效避免礦井供電事故的發生。

關鍵詞：煤礦供電系統；可靠性與穩定性；治理；實踐

中圖分類號：TD61 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）36-0139-02

1 前 言

供電系統是煤礦最重要的系統之一，其為全礦保安及生產負荷提供動力來源，對礦井安全生產起著至關重要的作用。然而在煤礦供電系統實際運行中，往往存在雷電干擾、上級電網波動、礦井線路或設備近母線（特別是6～10kV系統）短路等事故，這些事故往往會引起礦井電網大面積波動，由于系統瞬間失壓或瞬間電壓過低而導致失壓脫扣機構動作、近端短路時由于短路電流過大，加之繼電保護時差的精度以及斷路器動作時間差異性等諸多因素的影響，會導致系統越級跳閘，引起礦井大面積停電事故的發生，對礦井安全生產造成極大的威脅。目前，礦山架空線路多采用變電所和變電所出入點安設避雷器的方式進行系統防雷，很少有煤礦架設架空避雷線實現全線避雷，綜合的防雷和抗波動治理方案，在防止短路引起的越級跳閘方面，目前主要采用基于故障工頻分量的階段式電流保護原理，但我國礦山配電線路大都是由多段較短線路所組成的逐級控制干線式縱向網絡，由于線路阻抗較小且線路較短，造成各段短路電流幅值相差較小，而時限設定又受上級供電部門繼電保護時限與《煤礦安全規程》的約束，不能根據時限配合式繼電保護構成有效的縱向選擇性短路保護系統，發生短路故障導致越級跳閘常有發生。針對存在的這些問題，青龍煤礦在傳統的防雷設施要求基礎上，采取對礦井架空線路架設全線避雷線、沿線路分段安設閥型避雷器將雷電就近引入大地、線路至高點等重點位置安設主動引雷器等綜合防雷措施，防止雷電對礦井供電線路造成的災害；對礦井供電系統保護裝置進行失壓延時電路設計，以解決電網波動對系統造成的影響；采用系統短路速斷廣播式通訊閉鎖防越級跳閘保護技術，即采用CAN總線通信和光纖通信復合式級聯的方式，實現大容量短路情況下配電線路的防越級選擇性保護。

2 青龍煤礦供電系統概況及可靠性分析

青龍煤礦位于黔西縣谷里鎮，設計年生產能力120萬t/年，礦井保安負荷約3500kW、正常生產負荷約2800kW，即正常生產時礦井總負荷約為6300kW。礦井設有獨立的35kV變電所，電壓等級為35kV/10kV，共安設兩臺主變（一臺8000kVA和一臺12500kVA），本礦進線柜作為開口點。礦井采用兩回35kV架空線路供電，一路來自甘棠變電站35kV ？嗇段母線經35kV甘青線接入，另一路來自望城坡變電站35kV ？嗇段母線經35kV望青線接入，其中望青線全長12.9km，甘青線全長7.5km。由于兩條線路途經山區強雷地帶，雷雨季節遭受雷電災害非常嚴重，電網穩定性較差。

礦井地面生產及保安負荷主要采用10kV電壓供電，分別在各生產及保安負荷的機房配有10kV高壓配電室，由35kV變電所10kV Ⅰ、Ⅱ段母線向各高壓配電室供電，形成雙回路電源；井下設有中央變電所和兩個采區變電所，中央變電所電源分別取自礦井35kV變電所10kVⅠ、Ⅱ段母線，形成雙回路供電，各采區變電所電源由中央變電所10kVⅠ、Ⅱ段母線饋出，形成雙回路電源，各生產場所電源由就近的變電所取入。礦井各主要變電所及重要負荷的兩回路電源采用分列運行方式，當一回路故障時，另一回路能承擔相應系統的全部負荷。

礦井各級系統保護都使用目前較為先進的微機綜合保護裝置，各級繼電保護定值和動作級差較為規范并按規定每半年梳理更新1次，系統出現較大變化時立即進行更新，系統避雷系統符合規范要求。一般情況下系統能滿足安全運行的需要，但是當上級電網大面積波動、區域電網相關線路遭受雷擊、重合閘、礦井本身線路近端短路等極端情況時，系統很難實現選擇性的保護動作要求，時而會出現礦井大面積停電事故，給礦井安全生產帶來極大的威脅。

3 礦井供電系統存在的主要問題及解決方案

3.1 礦井架空線路遭受雷擊引起本礦線路上級開關跳閘或重合閘引起礦井大面積停電

3.1.1 主要問題

由于青龍煤礦的兩條架空線路均處于山區強雷地帶，雷雨季節遭受雷電災害非常嚴重，當本線路遭受雷擊時，常出現過電壓引起系統薄弱點絕緣擊穿、雷電引起架空線路弧光短路等情況，造成上級變電站饋出線路繼電保護動作跳閘或重合閘等情況發生，這些情況要么造成系統停電、要么引起電網波動，均會對礦井安全供電造成極大的威脅。

3.1.2 解決方案

為避免或減少自身架空線路遭受雷擊引起供電系統事故，青龍煤礦在傳統的防雷設施要求基礎上，采取對礦井架空線路全程架設避雷線、沿線路分段安設閥型避雷器將雷電就近引入大地、線路至高點等易遭受雷擊的重點位置安設主動引雷器等綜合防雷措施，防止因雷電對礦井供電線路造成的災害。

（1）礦井主運行架空線路全線避雷措施

通過對兩條線路運行質量及兩條線路沿線進行分析，我們確定甘青線為礦井主運行回路，對本條線路進行了改造，增設導線上方的架空避雷線，形成可靠的架空避雷接地系統，能有效將直擊雷經架空接地線引入大地，防止直擊雷對架空線路的破壞。

（2）線路分段增設避雷器，實現線路分段引雷

分段引雷主要是防止本系統架空線路遭受側向球雷襲擊或其它相臨線路遭受雷擊造成過電壓對本系統的破壞。為此，我們在架空線兩端的起始桿和終端桿以及架空線進入變電所的前端各增加2組氧化鋅閥型避雷器，同時在線路中部分別增加了2組氧化鋅閥型避雷器，將各區段雷擊過電壓就地引流，實現了對兩端變電所設施的保護，減小電網受影響的范圍，提高了本電網的穩定性。

（3）架空線經過的至高點安設主動引雷器

為進一步增強礦井供電線路抗雷電的能力，及時發現和解決存在的隱患，每次雷電天氣過后，我們都安排專人進行巡線，如實尋找和記錄每次發生在線路的落雷點，結果發現，90%以上的雷擊點在線路至高點或其附近，經研究，在線路至高點安設主動引雷器，該引雷器保護半徑可達105m，可通過引雷器預放電將雷電預先引入大地，避免雷電擊中高點線路。

3.2 電網波動或上級電網重合閘引起本礦供電系統失壓動作或系統跳閘

3.2.1 主要問題

電網波動主要是由于上級電網因故重合閘，同一變電所饋出相臨線路遭受雷擊造成弧光短路、用電線路發生大容量短路或高壓電機線圈短路等，波動時電網電壓會急劇下降，嚴重時就會造成供配電線路上的保護器因失壓而失效或失壓脫扣線圈失壓動作，造成礦井大面積停電事故的發生。

3.2.2 解決方案

青龍煤礦改造前使用的隔爆型高壓真空配電開關、隔爆型低壓真空饋電開關都是彈簧操作機構的開關，當供電系統遇到雷電干擾（含上級變電站或其饋出線路）、母線上某臺分開關下接電路近端短路、系統重合閘等情況造成母線瞬間失壓或電壓過低時，使開關的保護裝置和失壓線圈失壓而誤跳閘，是引發大面積停電事故的主要原因，而該類故障一般持續時間較短（約為0.1～0.5s）。為了解決這個問題，我們對開關的保護裝置和無壓釋放電路進行針對性改造。即在保護裝置內增加阻容蓄能模塊，該模塊經保護器控制接點并接到失壓線圈兩端，開關合閘后，保護器接點閉合，失壓線圈吸合的同時，阻容蓄能模塊充電；當母線失壓時，阻容蓄能模塊向失壓線圈放電，保持失壓線圈吸合，開關不因系統瞬間失電或瞬間電壓過低而脫扣跳閘。阻容蓄能模塊的能量可以保持失壓線圈最大吸合時間5s，可以通過在智能保護器上設置失壓保護動作時間通過保護器控制接點切除阻容蓄能模塊和驅動分勵脫扣線圈，實現開關失壓保護。這樣既實現了開關的失壓保護功能，又保證了開關不會因為外部原因引起瞬間失壓或瞬間電壓過低而脫扣跳閘，提高了礦井供電系統的抗波動能力。

3.3 系統近端短路引起越級跳閘

3.3.1 存在問題

改造前，青龍煤礦供電系統采用基于故障工頻分量的階段式電流保護原理來實現系統的選擇性保護，這樣的保護結構要求有一定的過流保護值差和時差，由于礦井供電系統級數較多，若每一級值差和時差都設置到足夠大，當逐級推到礦井變電所的進線柜時，就超出了規定的限值，且值差和時差都超過了上級變電站饋出柜的定值，而上級饋出柜的定值由地方供電部門統一管理，無法進行更改，導致我礦的保護定值無法按需要設置。同時，我礦10kV系統為由多段較短線路組成的逐級控制干線式縱向網絡，由于每段線路間的阻抗較小，造成各段短路電流幅值相差較小，時限設定又受上級供電部門繼電保護時限與《煤礦安全規程》的約束，不能根據時限配合式繼電保護構成有效的縱向選擇性短路保護系統，發生短路故障導致越級跳閘的事故時有發生。

3.3.2 解決方案

采用基于廣播式通訊閉鎖的防越級保護系統，該系統采用CAN總線通信和光纖通信復合式級聯的方式，將系統中各級開關組成獨立的防越級跳閘系統，即將同一級變電站所轄的所有開關接入CAN總線，利用CAN總線具有優先權和仲裁功能的特點，形成多主機局部網絡，避免點對點通信方式所帶來的逐級增加的通信延時。當開關檢測到故障電流時，即向總線上傳跳閘指令（即故障信息），在供電系統中不同位置的開關根據預先設定的開關級別及本身所檢測到的故障電流進行故障位置判斷。不同變電所，如上級變電所出線開關與下級變電所進線開關之間采用專用的光纖聯接，傳遞由CAN協議轉換成以太網協議的跳閘指令，以此避免長距離通訊對CAN總線通信的影響。

如圖1所示。

當d2點發生短路時，開關5-1均檢測到短路故障信號，最下一級開關（即開關5）在執行速斷命令的同時閉鎖其上級的所有開關（即開關1-4），避免開關1-4檢測到相應的短路故障信號而越級跳閘，縮小停電范圍，若開關5在設定的時限內因故障未執行跳閘（即拒動），則開關4解除閉鎖而執行跳閘任務，以此類推，直至故障信號消失；當d1點發生短路時，開關3-1檢測到短路故障信號，而開關4和5未檢測到，此時開關3自動判斷其自身為最下一級開關，在執行速斷的同時閉鎖開關3-1，同理若其拒動則依次解除開關2和1的閉鎖，實現廣播式逐級后備保護。

4 結束語

（1）煤礦供電系統穩定性治理是一項極其復雜的系統工程，必須采取綜合的治理措施方能真正達到安全可靠的要求。

（2）全線避雷能有效防止雷電災害，大大提高供電可靠性，避免雷電造成礦井重大災害，應作為煤礦供電系統防雷的主要措施加以推廣。

（3）煤礦主要供電開關的保護裝置和無壓釋放電路進行儲能延時設計，以躲過瞬間電壓陡降時的電壓谷底，能有效防止電網波動造成的系統誤動作。

（4）采用基于廣播式通訊閉鎖的防越級保護系統，是目前最為有效的電網選擇性保護方式，能有效防止越級跳閘問題。

參考文獻

[1]梅中健，曾劍文.基于高速工業網的防越級跳閘解決方案[J].煤礦機電，2014，34（3）：85～88.

收稿日期：2018-11-10

作者簡介：駱弟華（1982-），貴州開陽人，工程師，從事機電管理工作。