煤礦地面變電所供電系統電氣設計

閆紅燕

（同煤集團燕子山礦，山西大同 037003）

0 引言

我國是煤炭資源大國，近些年來，隨著生產技術的進步，煤礦機電設備改革換代，煤炭的產量翻倍增長，但是煤礦的生產結構也發生了巨大變化，生產和安全之間出現了一些不協調的地方[1-2]。煤礦供電系統作為煤炭生產的重要環節，是保證煤礦系統運行安全的前提與基礎，但也是煤礦的一個薄弱環節，所以對煤礦的供電系統進行研究是有重要意義的[3-4]。本文將對煤礦地面變電所的電氣部分進行分析設計。

1 煤礦變電所總體方案設計

變電所主要由主變壓器、室內外配電裝置和主控室等部分組成[5]。煤礦井口的大功率機電設備，如主、副井的提升設備、礦井通風機設備等，由地面變電所用6 kV高壓直接供電。選煤廠、機修廠與工人居住區等也通過地面變電所直接供送6 kV高壓電。

煤礦地面變電所是整個煤礦供電系統的重要樞紐，它主要負責煤礦地面與井下的受電、變電和配電任務[6]。地面變電所的位置一般設置在工業廣場內，具體地址確定需要考慮以下幾個因素：與主要負荷設備距離較短，減少導線長度，降低損耗；避開煤田、滑坡與采空區上方，選擇適宜的地形；交通便利，方便設備運輸；避開空氣污穢區域，設置在主導風的上風處。

2 煤礦地面變電所主線路設計

煤礦地面變電所的主線路包括35 kV高壓受電線路、6 kV高壓配電線路與380 V低壓供電線路及供電電路，本節將分別對這3種電氣線路進行研究設計。

2.1 35 kV高壓受電線路

煤礦地面變電所的電壓來源為35 kV高壓電，采用雙電源回路的方式進行供電，在電源進線端，采用帶有接地刀閘的隔離開關控制線路的導通與關閉。當對高壓受電線路檢修時，可斷開隔離開關工作刀閘，合上接地刀閘，切斷電源線路，保證檢修過程中電源斷路器不會重新合閘送電，保護檢修人員的安全。35 kV高壓受電線路如圖1所示。

35 kV高壓受電線路的母線采用高壓真空斷路器作為聯絡開關。因為斷路器具有一定的滅弧能力，在正常工況下，可接通或斷開負荷電流的高壓線路，在發生短路等故障時，可切斷短路線路，保障供電系統安全。本方案在35 kV受電線路的母線上安裝了FZ型避雷器，避免了雷雨天氣時，感應雷對電氣設備的損害，同時在母線兩側安裝了電壓互感器TV，為傳感器設備提供測量和保護信號。

2.2 6 kV高壓配電線路

圖1 35 kV高壓受電線路設計

6 kV高壓配電線路為單母線結構，變電所的主變壓器T1與T2將35 kV電壓源降為6 kV，通過斷路器與隔離開關分別引到母線的兩端。母線分段處設置有聯絡開關，各段母線兩端設有電壓互感器TV，向測量、保護和監視等裝置供電。為了提高電力負荷的功率因數，在兩端6 kV母線上集中設置場補充電容器和相應的三相電壓互感器。為防止架空線路感應雷入侵，在兩端母線上集中設置了FB型避雷器，與避雷器共設于一個配電柜的還有電壓互感器TV和兩個繞組，其中一個繞組提供電氣測量信號，另一個繞組向變電所監視裝置和接地保護裝置提供零序信號。6 kV高壓配電線路如圖2所示。

圖2 6 kV高壓配電線路設計

2.3 380/220 V低壓供電線路

礦井地面低壓動力及照明用電部分為380/220 V低壓用電單元，本方案的低壓動力變壓器也設置為2臺，同時向地面小容量設備供電。380/220 V低壓供電線路如圖3所示，供電系統通過T3與T4變壓器將6 kV高壓轉換為380/220 V低壓，向照明和單相低壓動力源供電。母線分為兩段，利用隔離開關做兩段母線的聯絡開關，重要的一、二級電力負荷分別接在兩段母線上，形成雙回路供電方式，圖中虛線部分為零線N。對容量較大的負荷可單獨使用一臺低壓電柜，容量較小的負荷，可合用一臺低壓配電柜。其低壓的主接線，都由通用型的低壓配電盤組成。

圖3 380/220 V低壓供電線路設計

3 變電所保護單元的分析與設計

煤礦地面變電所供電系統在運行過程中會出現一些故障和問題，常見的主要故障為變電所接地短路，變壓器或電動機繞組短路等。本節將針對繼電保護裝置與漏電保護裝置進行分析與設計[7-8]。

3.1 繼電保護

當變電所供電系統發生故障時，繼電保護裝置通過檢測到的電流或電壓信號，自動借助斷路器將故障線路切除于供電系統，避免電氣元件受到損害。不同故障，檢測的參數也不同，因此繼電保護裝置也有相應的幾種類型：當供電系統線路短接時，利用電流突然增大的特征，可實現電流繼電保護；當供電系統發生欠電壓故障時，利用電壓降低的特征，可實現系統的低壓繼電保護；供電系統電路老化時，利用電壓與電流比值的變化，可實現系統的阻抗繼電保護；利用電流和電壓之間關系的變化，可實現系統的方向繼電保護和差動繼電保護等等。

繼電保護裝置主要由測量部分、邏輯部分與執行部分組成，其原理圖如圖4所示。測量部分負責比較整定值與被保護對象的實測值，判斷系統是否需要保護，邏輯部分分析處理測量部分檢測到的數據，根據計算結果，按照一定的邏輯關系向執行部分輸出信號，做出一系列的保護動作，或者發出警報信號和跳閘信號等。

圖4 繼電保護原理圖

3.2 漏電保護

變電所的供電系統中，當某一線路對地的絕緣電阻值降低時，經過該路徑的電流會增大，當增大到一定程度后，變電所供電系統就發生了漏電故障。漏電保護裝置的主要工作原理就是通過檢測變電所供電系統對地絕緣阻值的大小，判斷系統是否發生漏電故障，當確認漏電后，保護裝置切斷電源回路，防止電氣元件損壞，保護附近工作人員的人身安全。

本文主要采用附加直流電源保護的原理實現漏電保護功能，其原理圖如圖5所示。當變電所的供電系統發生漏電故障，最容易檢測的是對地的絕緣電阻下降，在三相對地的絕緣電阻上將直流電源導通，該線路電流大小的變化將反映對地絕緣電阻的變化，有效地檢測和處理這個電流就可實現漏電保護功能。電流和電阻的計算公式分別如下所示：

式中：U為附加直流電源的電壓，V；RSK、RLK、RkΩ、RKD與RE分別為三相電抗器線圈的電阻值、零序電抗器的電阻值、千歐表測量的電阻值、繼電器線圈的電阻值與回路中大地的電阻值，Ω；RΣ為三相電網相對地的絕緣電阻。

圖5 附加直流電源的保護原理圖

4 結束語

本文針對煤礦地面變電所提出了一種電氣設計方案，分別對變電所的主線路與保護單元進行了研究設計，該方案具有較好的可行性，提高了變電所電能的利用率，降低了電能在運送過程中的損耗，整體的安全性得到了較好的保障。