煤礦供電電源不間斷供電可靠性技術研究

田旭東，駱建營，閔祥晟

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100）

1 概 述

貴州大方煤業有限公司小屯煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井兩路35kV電源分別引自110kV新鋪變電站和六龍變電站，分屬不同電網，不能合環操作，該地區屬雷電多發區，受雷擊及其它因素影響易引發系統性電壓波動，造成非正常停電、電壓大幅波動或短時斷電的情況屢見不鮮，統計數據如表1所示?，F在小屯煤礦供電主要存在以下問題：

1）小屯煤礦地處山區，為雷電多發地段，經常由于雷電原因造成礦井電源停電，從而導致全礦停電；而備用電源不能立即供電，需要將下級開關切除，然后從電源逐級送電，這樣停電影響時間大大延長，甚至超過10分鐘，給礦井安全帶來極大的威脅。

2）兩回路電源不能合環操作，切換兩路供電電源時，需要全礦停電。

3）井下高壓電網采用多段電纜線路構成，線路短、短路電流較大，其首端和末端的短路電流級差不大,往往上下級速斷保護同時啟動,造成上下級保護同時動作或上級搶先動作而越級跳閘。

小屯煤礦為煤與瓦斯突出礦井，一旦停電很容易造成瓦斯積聚，帶來嚴重的后果，因此，供電電源不間斷可靠性技術研究尤為有重要意義。

表1 小屯煤礦全礦停電次數統計

2 研究解決的問題

小屯煤礦的供電運行方式：小屯礦井采用35kV雙回路供電，35kV電源Ⅰ回路來自新浦110/35/10kV變電站，Ⅱ回路來自六龍110/35/10kV變電站，35kV兩回路供電電源一回路運行，另一回路熱備用。礦內設有35/10kV變電所一座，安裝了兩臺主變壓器，一臺運行，一臺備用。35kV變電所接線方式采用全橋接線，變電所35kV、10kV系統主接線采用單母線分段方式。正常情況下，35kV、10kV均合母聯并聯運行，10kV饋出線帶多臺高壓電動機。如圖1所示：

圖1 小屯煤礦供電系統示意圖

2.1 研究煤礦35kV進線電源的不間斷供電

2.1.1 35kV兩回路進線電源的串聯切換

小屯煤礦35kV變電所盡管有兩回路電源，但兩路電源來自不同的電網，導致兩段母線的電壓相位角、頻率可能不一致，當正在運行帶負荷的一路電源突然失電后，另一路備用電源能夠在跳開運行開關前提下快速切換到運行狀態，即保證一路電源失電后該段母線所帶的負載不失電，同時考慮相位角、頻率的問題，防止備用電源送電造成對設備的沖擊，保證供電的不間斷。

2.1.2 切換的快速性

礦井主要用電負荷為異步電動機，如果切換時間過長，會造成電動機被切除和生產的中斷，即使是部分沒被切除的重要電動機，由于母線電壓已經很低，轉速已經嚴重下降，也會造成生產的中斷，而且此時電動機接近停轉，恢復供電時所有尚連接在母線上的電動機一起加速，對供電網絡的沖擊接近于整組自起動。切換的快速性尤為重要。因此，研究適合小屯煤礦供電方式的電源快速切換裝置，既滿足切換的要求又能滿足快速性，保證煤礦供電不受影響。

2.2 研究兩臺主變壓器的人工倒閘并聯切換，防止沖擊電流的產生

盡管兩臺變壓器的電源是同頻的，允許合環操作，即先合上備用變壓器電源開關，后跳開工作運行電源開關，但仍需防止合閘時造成過大的沖擊。因此，研究變壓器的平穩切換，減少對變壓器、供電系統的沖擊。

2.3 研究變壓器的事故切換

當運行的主變壓器故障或35kV側控制開關故障時，能夠快速切換到備用變壓器，實現不間斷供電。

2.4 研究小屯煤礦高低壓供電系統的防越級跳閘

煤礦供電系統具有特殊性，其各級變電所的供電線路較短、短路電流較大，通過單純的保護裝置配合，不能有效的控制越級跳閘。

2.4.1 解決10kV高壓系統防短路越級跳閘應遵循的原則

1）短路越級跳閘是煤礦高壓供電系統固有的問題，無法通過管理手段徹底解決。

2）應該在開關設備自身層面解決，而不應該通過增加輔助系統或其他設備解決。增加系統或輔助設備，必定帶來新的故障發生點，同時采用集中控制的方式，有悖于最大可能降低故障影響范圍的宗旨。

3）盡量降低解決問題的投入，提高改造后開關設備的性能，減少改造過程的工程量和影響。

4）完全滿足《煤礦安全規程》規定和《礦用隔爆型高壓配電裝置》標準規定的性能指標。

5）系統處理完整，不留盲區和死角。

2.4.2 研究660V低壓系統選漏動作準確性及遵循的原則

隨著煤礦綜合開采業技術的發展，礦井下的機械設備和電氣設備逐漸代替了大量的人工作業，自動化程度加強，然而，小屯煤礦低壓660V供電系統發生漏電時，經常發生誤動或拒動現象，影響生產安全。提高低壓系統漏電動作準確性應遵循的原則：

1）當低壓供電系統線路出現漏電現象時，應能準確選擇地將發生漏電現象的分支線路進行漏電保護動作，切斷漏電故障線路電源，防止事故擴大，也防止縱向越級跳閘擴大斷電范圍，保證其它線路正常運行。

2）系統中，大功率設備的開停、遠距離設備的開停、環境溫濕度的變化等等，都會引起系統對地分布電容的大幅度變化，從而造成選擇性漏電的準確性降低，要能夠檢測分布電容變化，自動調整動作條件。

3）盡量降低解決問題的投入，提高改造后開關設備的性能，減少改造過程的工程量和影響。

4）完全滿足《煤礦安全規程》規定和《礦用防爆低壓交流真空饋電開關》標準規定的性能指標。

2.5 研究10kV、660V系統短時電壓波動造成的大面積停電

高、低壓供電系統在電壓波動幅度較大時，容易造成大面積的失壓停電。防止失壓引起的大面積停電遵循的原則：煤礦的高低壓斷路器必須保有失壓線圈，作為后備保護，要防止雷擊、嚴重短路、系統重合閘造成的煤礦大面積停電，必須讓失壓線圈在失壓時維持一定的時間，以躲過失壓瞬間。

3 解決方案

3.1 兩回路進線電源快切

經過調研，現在已有技術比較成熟的電源快速切換裝置，是專門針對工業企業變電站電源切換的需求，既能解決外部電網“晃電”對企業電網的沖擊，又能解決內部電網故障下連續供電的電源快速切換裝置，保證了生產的連續性，實現了生產的“零停電”。

在35kV變電所值班室內安裝一臺快速切換屏柜，在屏柜內安裝控制35kV進線電源的快切裝置，通過對35kV進線電壓、電流以及開入量的采集，用以完成進線電源的事故跳閘時的快速切換，確保礦井35kV供電電源的不間斷供電。

正常情況下，35kV母聯開關處于合閘狀態，當一段進線發生故障時，快切通過保護起動（需要將進線的主保護起動接點接入）方式或者逆功率起動方式起動，快切檢測到起動信號后，起動快切，發出跳閘指令，跳掉進線開關，并通過監測失電母線殘壓的與備用段進線電壓進行比較，判斷以何種方式合閘。

由于兩段進線電源來自不同的系統，導致兩段母線正常運行時的電壓相角、頻率可能不同，所以進線開關跳閘后母線電壓的相角可能和備用進線的相角差比較大，可能不滿足快速合閘的條件，導致快速合閘不成功（也有可能成功），這樣快切就轉入同捕合閘，如果同捕合閘不成功，則轉入殘壓合閘。

3.2 主變壓器的人工倒閘切換、事故切換

在35kV變電所值班室內已安裝的快速切換屏柜內，再安裝一臺快切裝置，用以控制10kV側進線電源的切換，通過對變壓器35kV側電壓、電流以及開入量的采集，來實現的主變壓器的切換?？梢酝ㄟ^快切裝置的正常操作來完成主變壓器切換的人工倒閘操作，保證無沖擊電流；通過快切裝置的事故切換來完成主變壓器或主變壓器高、低壓側開關故障時的切換，保證礦井10kV側供電電源的不間斷供電。

3.3 10kV高壓供電系統防短路越級跳閘方案及原理

3.3.1廣播通訊閉鎖式防越級跳閘方案的原理

高壓防爆開關之間采用越級跳閘信號閉鎖，解決井下高壓供電系統短路越級跳閘問題。如圖2所示，變電所高壓開關采用短路越級跳閘信號通信閉鎖和零時限速斷、后備定時限電流保護配合完成。

1）各開關保護裝置能夠通過通信信息和結合檢測到的短路電流經過的范圍確認短路點，當某條線路發生短路時，負載側直接發生短路的開關自動為最下級而速斷，同時發出防止短路越級跳閘閉鎖信號，閉鎖上級相應開關保護器速斷保護功能，確保不產生短路越級跳閘，如果下級開關因故據動，其上級開關逐級根據設定的越級跳閘時間動作。

2）防止下級開關負載側發生較大的短路電流超過該開關的分斷能力，根據負荷情況設置后備定時限電流保護來確保開關的可靠動作，最大限度保障供電安全。

圖2 廣播通訊閉鎖式防越級跳閘示意圖

3.3.2小屯煤礦的10kV高壓供電系統防短路越級跳閘方式

在35kV變電所內安裝一臺通訊管理機用于管理各保護之間的閉鎖，下井的兩臺10kV一般型高壓出線柜采用YK-2000/2400系列微機綜合保護裝置，將裝置的以太網口用網線連入通訊管理機的以太網電口。

將井下變電所、配電點的隔爆型高壓真空配電裝置的原保護裝置更換為具有短路越級跳閘閉鎖功能的PIR-8110GX2400型高壓微機智能綜合保護裝置，將更換好的裝置CAN口互聯，同時將兩臺總開關的光口經隔爆型光纖端子引入地面的通訊管理機的光口。形成35kV下井10kV柜、采區變電所、各車場配電點的三級閉鎖，有效的杜絕越級跳閘。

3.4 小屯煤礦井下660V低壓供電系統選漏方案

將井下采區變電所、七號聯變電所所內的低壓饋電開關的保護更換為PIR-8210K2400低壓微機智能綜合保護裝置，該保護裝置具備以下功能：(1)定時檢測本系統內的分布電容，并自動調整動作條件，使開關始終處于最佳漏電動作狀態；(2)避免人工調整的誤差和疏忽。通過保護裝置的更換，660V低壓供電系統的選漏準確性提高，保證了低壓系統的供電安全。

3.5 井下高、低壓系統防止短時失壓造成大面積停電

3.5.1防止短時失壓造成大面積停電的原理簡介

由于現有的開關保護裝置的采用了智能微機保護裝置，在一般情況下上下級開關通過正確整定和計算，很大程度上避免了短路越級跳閘的發生，而高壓供電系統短時失壓造成系統大面積跳閘事故時有發生，短時失壓的情況一般有開關近端短路、雷擊、供電系統中備用電源的自動切換等。解決方案如下：

首先，系統失壓時要保證保護裝置正常工作，采用了儲能電源來解決保護裝置在失壓時能夠正常工作5秒左右（通過外加儲能元件可以再延長工作時間），保證了在供電系統失壓時，所有保護功能正常可靠。其次，防止開關在短時失壓時跳閘，在開關中加裝電源蓄能模塊，經保護裝置控制接點并接到彈簧機構高爆開關的失壓線圈或永磁機構高爆開關的永磁機構控制器電源兩端。高爆開關上電，保護裝置接點閉合，失壓線圈吸合（彈簧機構高爆開關）工作的同時，電源蓄能模塊充電；當母線失壓時，電源蓄能模塊向失壓線圈（彈簧機構高爆開關）放電，保持失壓線圈（彈簧機構高爆開關）吸合正常工作，開關不因短時失壓而跳閘。蓄能裝置的能量可以保持失壓線圈（彈簧機構高爆開關）正常工作5秒，可以通過在智能保護器上設置失壓保護動作時間實現開關失壓保護。

3.5.2 小屯煤礦解決短時失壓造成大面積停電的方案

在井下采區變電所、配電點每臺隔爆型高壓配電裝置內安裝儲能模塊8110R5，在每臺低壓真空饋電開關內安裝儲能模塊8210R5。通過儲能模塊的安裝實現能夠延時5秒左右。即：①高爆開關上電，保護裝置接點閉合、失壓線圈吸合同時，8110R5電源蓄能模塊充電；當母線失壓時，模塊向失壓線圈放電，保持失壓線圈吸合狀態,開關不因短時失壓跳閘。8110R5電源蓄能模塊的能量至少保持失壓線圈吸合5秒。②低爆開關上電，保護裝置接點閉合、失壓線圈吸合同時，8210R5電源蓄能模塊充電；當母線失壓時，模塊向失壓線圈放電，保持失壓線圈吸合狀態,開關不因短時失壓跳閘。8210R5電源蓄能模塊的能量至少保持失壓線圈吸合5秒。③可以通過在保護器上設置失壓保護動作時間實現開關失壓保護；同時，保護裝置失效時，儲能模塊切除，失壓線圈短路時瞬動，承擔后備保護。

4 結論

通過小屯煤礦供電電源不間斷供電可靠性技術研究，能夠解決小屯煤礦35kV兩回路進線電源的事故切換、兩臺主變壓器的人工倒閘切換帶來的電流沖擊和變壓器的事故切換、10kV井下供電系統的防短路越級跳閘、660V低壓供電系統選漏的準確行可靠性、井下高低壓供電設備由于短時失電造成大面積停電等問題，實現了小屯煤礦供電電源的不間斷供電，具備以下經濟和社會效益：①保證了煤礦供電的安全性、可靠性，特別是在本地區供電穩定性差的情況下，實現了不間斷供電。②在本地區具備示范作用，為其他煤礦的供電安全提供了有效的依據。③在人員素質相對較低、人員配置相對較少的狀況下，為實現供電的安全管理提供了可靠的保障。④為實現變電所的無人值守奠定了基礎，節約了大量人力、物力，具備特別高的經濟效益。