礦井智能化供電系統(tǒng)分析

蓋森亮 楊國華 韓文康

摘要：礦井智能化供電系統(tǒng)是煤礦企業(yè)進行采掘生產(chǎn)的重要動力能源，也是保證井下作業(yè)安全、穩(wěn)定的重要照明設(shè)施。為進一步提升礦井智能化供電系統(tǒng)運行的可靠性與安全性，煤礦企業(yè)必須做好礦井的日常供電維護工作。現(xiàn)階段，較常見的礦井供電系統(tǒng)故障為保護誤動作、越級跳閘等，對此，需要實現(xiàn)對智能供電系統(tǒng)的全程監(jiān)控。本文首先介紹礦井智能化供電系統(tǒng)自動保護裝置的工作原理，其次結(jié)合礦井日常供電保護作業(yè)中出現(xiàn)的故障問題，提出供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的保護措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：礦井；智能化；供電系統(tǒng)；措施

DOI：10.12433/zgkjtz.20240140

隨著科學技術(shù)的日新月異，礦井生產(chǎn)作業(yè)正逐漸向信息化、自動化方向發(fā)展。隨著大量機械設(shè)備的投入使用，礦井供電系統(tǒng)線路變得愈發(fā)復雜。同時，隨著社會發(fā)展進程的加快，人們對煤礦資源的需求量日益增加，也使得礦井電網(wǎng)的鋪設(shè)規(guī)模逐漸擴大、礦井供電距離越來越長。在此背景下，礦井智能化供電系統(tǒng)的運行可靠性和安全性顯得尤為重要。在當前的礦區(qū)，由于供電級數(shù)較多，單純依靠以往過流定值增加時間來延長供電級差，難免會出現(xiàn)供電線路越級跳閘的現(xiàn)象。目前，煤礦企業(yè)井下作業(yè)區(qū)域所使用的高低壓智能供電系統(tǒng)，存在保護裝置型號不統(tǒng)一的問題，使得各類通訊規(guī)約不一致，造成變電所無法實現(xiàn)對高低壓智能化系統(tǒng)的全程集中監(jiān)控。因此，本文結(jié)合當下煤礦企業(yè)的現(xiàn)狀，詳細研究分析礦井智能化供電系統(tǒng)的安全生產(chǎn)建設(shè)成果。

一、礦井智能化供電系統(tǒng)工作原理分析

隨著科學技術(shù)水平的提升，市場上智能化、自動化繼電器的類型越來越多，功能組織大致相似，包括信號輸入、測量分析、邏輯判斷三個主要部分。其中，信號輸入主要用于供電系統(tǒng)中的電路信號，將處理完成后的電路信號安全輸送到繼電器保護裝置的相關(guān)部件中；測量分析主要用來設(shè)定繼電器預先運行參數(shù)，然后將系統(tǒng)實際所測數(shù)值與預先設(shè)定好的數(shù)值進行參數(shù)比對；邏輯判斷則根據(jù)測量比對的參數(shù)結(jié)果，基于科學合理、嚴謹縝密的邏輯判斷原則，對供電系統(tǒng)控制執(zhí)行部件發(fā)出動作執(zhí)行指令。當?shù)V井供電系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障時，供電系統(tǒng)的自動保護裝置會第一時間向外發(fā)出報警提示，同時發(fā)出跳閘指令，并將該指令瞬間傳達至故障部件，完成系統(tǒng)自動切斷故障點的動作。在礦井日常生產(chǎn)作業(yè)中，常將繼電器當作供電系統(tǒng)自動保護裝置使用，該設(shè)備靈敏度非常高，能第一時間發(fā)出報警提示，并迅速采取切斷指令，從而有效隔離系統(tǒng)故障點，將供電系統(tǒng)故障帶來的經(jīng)濟損失降至最低。

二、常見礦井供電系統(tǒng)故障問題

（一）鋪設(shè)供電系統(tǒng)電網(wǎng)過程中存在的問題

首先，在鋪設(shè)礦井供電系統(tǒng)電網(wǎng)之初，未能從長遠發(fā)展角度出發(fā)，綜合考慮未來是否需要增加新的生產(chǎn)機械設(shè)備。同時，在采購變壓器時，可能未嚴格按照線網(wǎng)設(shè)計需求匹配相應(yīng)的變壓器，導致供電系統(tǒng)正式投入運行之后經(jīng)常出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、超負荷運轉(zhuǎn)等不良現(xiàn)象，電網(wǎng)線路長時間處于高溫運行狀態(tài)，嚴重時還會燒毀系統(tǒng)的電氣設(shè)備。其次，存在用電設(shè)備接入不合規(guī)的問題。在礦井搭建供電系統(tǒng)時，未充分考慮高壓開關(guān)的實際承載能力，將采煤機、破碎機、運輸機等大功率機械設(shè)備接入同一個供電高壓開關(guān)上，導致供電系統(tǒng)局部線路經(jīng)常出現(xiàn)超負荷輸電現(xiàn)象。

（二）供電系統(tǒng)常見超負荷運載現(xiàn)象

首先，隨著人們對礦產(chǎn)能效需求的不斷提高，為提高礦井生產(chǎn)作業(yè)效率，煤礦企業(yè)不斷引入先進的采掘機械設(shè)備，導致礦井機械設(shè)備數(shù)量猛增，同時由于設(shè)備的運行功率普遍較大，使得礦井的整體供電系統(tǒng)長時間處于超負荷運行狀態(tài)。其次，長時間高速運轉(zhuǎn)勢必會造成變壓器、絕緣子、供電線路出現(xiàn)老化問題，部分設(shè)備甚至已超限使用。少數(shù)的煤礦企業(yè)為節(jié)省采掘成本，繼續(xù)使用超限設(shè)備進行生產(chǎn)，導致供電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備頻頻發(fā)生運行故障，增加電氣設(shè)備維修技術(shù)人員的作業(yè)量，也為礦井正常供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行埋下了重大事故安全隱患。

（三）繼電器常發(fā)越級跳閘現(xiàn)象

通常情況下，礦井通過預測測定、測量分析等手段，確定煤礦采掘區(qū)變電所最遠端的電壓負荷量，然后以此處為起點，逐級向采掘區(qū)變電所進行擴散計算，計算通常以整個供電系統(tǒng)的最大作業(yè)負荷功率為基礎(chǔ)，并設(shè)定系統(tǒng)的過流保護定值參數(shù)。然后，依據(jù)變電所最遠端發(fā)生電路短路故障時測出的電流值，設(shè)定整個供電系統(tǒng)的速斷保護值參數(shù)。但在礦井實際生產(chǎn)采掘作業(yè)中，經(jīng)常出現(xiàn)速斷保護整定值設(shè)置過小的問題，導致供電系統(tǒng)發(fā)生線路短路故障后，速斷保護同步動作，使繼電器瞬間喪失選擇性，無法第一時間有效區(qū)別出供電系統(tǒng)的實際速斷保護定值，導致繼電器越級跳閘故障頻繁發(fā)生。此外，在較為封閉的礦井內(nèi)空間中，空氣對流性較差，容易形成大量的易燃易爆氣體，一旦發(fā)生漏電故障，極易引發(fā)礦井爆炸事故，因此需要煤礦企業(yè)不斷加強礦井供電系統(tǒng)的防漏電保護措施。

（四）電氣設(shè)備保護裝置存在問題

受礦井行業(yè)生產(chǎn)因素影響，電氣設(shè)備長期處于高腐蝕、高溫以及陰暗潮濕的惡劣環(huán)境中，增加了電氣設(shè)備故障發(fā)生的頻率，導致電氣設(shè)備的使用壽命大幅度縮減。礦井在生產(chǎn)作業(yè)過程中往往對電氣保護工作不夠重視，只將重點放在提高煤礦采掘率上，導致供電系統(tǒng)整體靈敏度偏低，電氣保護作用較小。此外，電氣系統(tǒng)保護制度有待完善，這會增加電氣設(shè)備故障問題，一旦發(fā)生漏電現(xiàn)象，引發(fā)電火花，可能引發(fā)礦井瓦斯爆炸安全事故。因此，煤礦企業(yè)在進行日常井下采掘作業(yè)過程中，需要注意礦井電氣設(shè)備保護裝置的正常運行。

（五）電氣設(shè)備老化問題

礦井生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，井下潮濕的環(huán)境容易導致電氣設(shè)備在運行過程中發(fā)生絕緣層磨損，加速電氣設(shè)備線路的老化，引發(fā)礦井供電系統(tǒng)漏電、產(chǎn)生電火花，也有極少部分煤礦企業(yè)以犧牲安全的方式節(jié)省煤炭采掘作業(yè)的資金投入成本。在現(xiàn)實中，采掘多年的礦井設(shè)備使用時間較長，出現(xiàn)嚴重老化問題而不及時更換，就會造成設(shè)備故障，引發(fā)安全事故。同時，部分礦井存在設(shè)備檢修不及時的現(xiàn)象，這也是導致電氣設(shè)備加速老化的主要原因，如果這些問題堆積，容易引發(fā)安全事故。

（六）系統(tǒng)運行管理技術(shù)較為滯后

目前，煤礦供電設(shè)備智能監(jiān)控保護裝置型號較多、通訊規(guī)約多且雜，未形成統(tǒng)一的技術(shù)保護標準。此外，礦井內(nèi)部環(huán)境復雜多變，供電系統(tǒng)運行裝置的信息化程度普遍偏低，加之操作人員經(jīng)驗不足，容易造成采掘作業(yè)中的設(shè)備誤操作，從而引發(fā)線路跳閘。操作人員一旦知情不報，供電系統(tǒng)發(fā)生越級跳閘停電后，會導致下一級失電開關(guān)不能正常完成系統(tǒng)故障記錄。很多煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)存在“抹黑行動”，導致電氣設(shè)備維修技術(shù)人員無法及時掌握供電系統(tǒng)的實際運行信息，造成故障誤判，不利于煤礦企業(yè)全面提升供電系統(tǒng)的運行管理成效。

三、提升礦井智能化供電系統(tǒng)可靠性與安全性的措施

（一）科學布設(shè)電網(wǎng)電源

作為礦井生產(chǎn)作業(yè)的基礎(chǔ)性能源保障項目，煤礦企業(yè)在設(shè)計電網(wǎng)之初必須考慮礦井的長期運行需求，確保井下的電源安全。因此，常使用多個變電所、供電網(wǎng)同時輸入電能的方式，保證礦井的日常供電需求。為提高電網(wǎng)電源的穩(wěn)定性，建議煤礦企業(yè)在礦區(qū)建立一套完善、科學的雙回路智能供電運行系統(tǒng)，以應(yīng)對大型采掘設(shè)備的安全用電需求。同時，嚴禁采取單電源單回路供電或雙回路單電源供電方式，以實現(xiàn)電網(wǎng)電源的科學布設(shè)。

另外，隨著礦井供電距離不斷加大，電氣設(shè)備的運行功率也隨之增加，供電系統(tǒng)易發(fā)生短路、過載現(xiàn)象，導致供電線路過流情況頻發(fā)，給礦井埋下火災(zāi)隱患。因此，礦區(qū)應(yīng)合理使用區(qū)段供電法，規(guī)避電網(wǎng)的超負荷、超長供電。同時，做好供電系統(tǒng)漏電保護、過流保護工作，采取電氣設(shè)備保護方式，例如，接地保護、短路保護、過載保護、漏電保護等，進而提升供電系統(tǒng)自動保護裝置的實際應(yīng)用效果。

（二）合理整治電壓諧波

礦井在進行采掘作業(yè)時，供電系統(tǒng)容易受到電網(wǎng)諧波的影響，會破壞系統(tǒng)電壓平衡。為了解決這一問題，多使用濾波器過濾多余的諧波，濾波器被安裝在變壓器供電母線上，不僅能消除供電系統(tǒng)電路中的無用諧波，抑制電流無效波動，還能對供電網(wǎng)進行一定的無功補償。同時，可以使用消諧器讓供電系統(tǒng)中的電壓互感器產(chǎn)生中性點接地效應(yīng)，從而消除電壓諧波。另外，使用消弧線圈完成供電系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)補償裝置與中性點的接地效應(yīng)，雖然結(jié)構(gòu)較為復雜，但諧波的消除效果相對更好。建議煤礦企業(yè)在非必要的生產(chǎn)環(huán)境下，盡可能降低對變頻器的使用頻率，變頻器不僅會產(chǎn)生大量的電壓諧波，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性，還會對電氣設(shè)備的弱電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，導致電氣設(shè)備儀表儀器發(fā)生失控反應(yīng)。

（三）配備實時集中監(jiān)控系統(tǒng)

要想實現(xiàn)對電力設(shè)備的實時集中監(jiān)控，礦井智能化供電系統(tǒng)應(yīng)合理利用信息化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建實時電力監(jiān)控平臺，對礦井供電系統(tǒng)的各級電壓開關(guān)進行身份編號標注，采集系統(tǒng)的測控單元實時信號，利用智能零時限區(qū)域保護原理和電流保護技術(shù)，通過硬接線或智能變電站快速報文方式，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的區(qū)域保護性。在上述運行狀態(tài)下，首先，一旦礦井智能供電系統(tǒng)發(fā)生電路短路現(xiàn)象，且短路電流超過上下級電壓開關(guān)的保護設(shè)定值參數(shù)，系統(tǒng)將自動按照常規(guī)預案完成跳閘處理。其次，啟動下級電壓保護器，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向上級電壓保護器同步發(fā)出閉鎖信號。此時，上級電壓開關(guān)保持不發(fā)出動作，僅下級電壓開關(guān)發(fā)出動作，有效實現(xiàn)防越級功能。實時集中監(jiān)控系統(tǒng)包括短路監(jiān)測裝置、高低壓電纜漏電裝置、變壓器電壓監(jiān)測裝置、高壓開關(guān)動態(tài)監(jiān)測裝置等，以真正實現(xiàn)智能化供電系統(tǒng)對礦井用電的實時監(jiān)控。

（四）完善井下繼電保護系統(tǒng)

建立完善的井下繼電保護系統(tǒng)，必須結(jié)合先進的繼電控制技術(shù)，根據(jù)礦井實際供電系統(tǒng)運行情況，制定科學的繼電保護措施，為井下機械設(shè)備和電氣設(shè)備提供相對穩(wěn)定、節(jié)能、安全、高效的運行環(huán)境。通過繼電保護系統(tǒng)的有效控制，減少由于工作人員操作失誤引發(fā)的供電系統(tǒng)故障事故，使礦井智能化供電系統(tǒng)具備更強的防火防爆功能，提升供電系統(tǒng)的運行效率。

（五）規(guī)范供電系統(tǒng)設(shè)計方案

為確保礦井智能供電系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性與合法性，需要電網(wǎng)設(shè)計人員綜合考慮礦井的采掘設(shè)備數(shù)量與輔助電氣設(shè)施數(shù)量，明確各項設(shè)備運行的最大功率值，科學分配設(shè)備用電。同時，建立完善的事故應(yīng)急預案，并按照部門職責將其落實到各個工作環(huán)節(jié)中，縮短供電系統(tǒng)的停電時間，降低斷電帶來的經(jīng)濟損失，為電力救援爭取更多的時間。

（六）定期升級或改造供電設(shè)備

礦井電氣設(shè)備檢修人員要定期對各項電氣設(shè)備進行維護和檢修。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備嚴重損壞或嚴重老化，應(yīng)及時更新設(shè)備，以免因小失大，釀成更大的安全事故，確保智能供電系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)良性循環(huán)。

煤礦企業(yè)要加強對電氣設(shè)備檢修技術(shù)人員的全面培養(yǎng)，從專業(yè)技術(shù)、理論知識方向著手，結(jié)合以往的實踐維修經(jīng)驗，全面提升電氣設(shè)備的維修質(zhì)量。同時，加強維修技術(shù)人員的安全防范意識，養(yǎng)成勤觀察、善發(fā)現(xiàn)的崗位責任意識，從而為礦井智能供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行提供最大程度的人力保障。

四、結(jié)語

煤礦企業(yè)在提高自身礦井智能化供電系統(tǒng)運行可靠性和安全性時，需要綜合考慮行業(yè)趨勢與礦井實際情況，進行科學、規(guī)范的設(shè)計。借助可靠、安全的供電系統(tǒng)，提升礦井生產(chǎn)作業(yè)效率，全面提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。針對目前礦井智能化供電系統(tǒng)在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的各類安全隱患，技術(shù)人員要在充分掌握電氣設(shè)備故障原理及礦井智能化供電系統(tǒng)故障處理方法的情況下，結(jié)合以往維修經(jīng)驗，多角度分析引發(fā)故障的具體原因，進而制定科學的解決措施，保證維修質(zhì)量，讓電氣設(shè)備與供電系統(tǒng)重新回歸正常運行狀態(tài)。同時，建立電氣設(shè)備與供電系統(tǒng)檢修、監(jiān)管機制，全面提升作業(yè)人員的安全防范意識，重視故障預防措施的學習和實施力度，實現(xiàn)對礦井的供電負荷全程集中監(jiān)控，提升礦井供電系統(tǒng)的智能化運行水平。

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作者簡介：蓋森亮（1997），男，山西省長治市人，本科，助理工程師，現(xiàn)任兗礦能源集團股份有限公司東灘煤礦技術(shù)員，從事煤礦機電技術(shù)工作，主要研究方向為礦井供電。