煤礦地面供電系統(tǒng)技術(shù)改造

趙素芬

（同煤集團四老溝礦供電科， 山西 大同 037003）

引言

煤炭在我國國民經(jīng)濟中占有重要比重[1]。煤礦供電系統(tǒng)關(guān)乎著煤炭的安全生產(chǎn)，其中煤礦供電系統(tǒng)包括地面供電和井下供電系統(tǒng)，地面供電系統(tǒng)的穩(wěn)定決定了井下的安全供電，但是現(xiàn)如今很多煤礦供電系統(tǒng)仍然維持40 多年前的總體設(shè)計要求，供電系統(tǒng)尚不滿足國家新規(guī)定的可靠性要求。選用高性能的供電設(shè)備和新的技術(shù)手段來實現(xiàn)煤礦地面供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行迫在眉睫。為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，文獻[2]中指出在現(xiàn)有的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用雙電源和雙回路供電方式，保證在當(dāng)前回路發(fā)生故障時提供備用。文獻[3]針對雷電事故提出了一種不間斷供電的技術(shù)方案，解決了煤礦地面10kV高壓供電系統(tǒng)防短路越級跳閘、660 V 低壓供電選漏以及短時失壓問題。

本文針對當(dāng)前煤礦地面供電系統(tǒng)中的問題進行技術(shù)改造，包括供電設(shè)備升級和技術(shù)手段更新。供電設(shè)備升級主要從輸電、配電兩個環(huán)節(jié)入手，分析當(dāng)前煤礦供電系統(tǒng)設(shè)備中的嚴(yán)重問題，提出相應(yīng)的改造方案，對于技術(shù)手段更新主要從系統(tǒng)的繼電保護方面進行相應(yīng)的設(shè)計。

1 煤礦地面供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 當(dāng)前地面供電系統(tǒng)存在的問題

在我國煤礦中，地面供電高壓一般采用35 kV、10 kV、6 kV 電壓等級，低壓采用380 V、220 V 電壓等級[4]。其中高壓系統(tǒng)可向井下變電所供電，低壓系統(tǒng)主要向地面鍋爐房、礦井水處理站以及辦公樓和其他配電點供電。為保證供電的安全可靠性，線路采用雙回路供電，并根據(jù)地面負荷分布特點，設(shè)置主工業(yè)廣場變電所、主扇變電所、原煤倉配電室和主斜井井口變電所。地面供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 地面供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴大，用電負荷不斷增加。但是當(dāng)前主變電站容量不足，無法滿足日益增長的電力需求，對主變壓器的擴容升級成為變電發(fā)展的關(guān)鍵[5]。除此以外，單臺主變壓器無法應(yīng)對大檢修、主變壓器故障或者容量不足的問題。除了變壓器，電容補償器、電壓互感器、電流互感器等設(shè)備陳舊，有些設(shè)備常年未被更換，因此需要頻繁維護，這樣一來增加了人力和成本；不光如此，有些設(shè)備已經(jīng)處于極限運行狀態(tài)，存在重大的安全隱患問題，例如線路老化可能引起瓦斯爆炸、通風(fēng)機停機等重大安全事故問題。選用高性能的供電設(shè)備已刻不容緩。

除了設(shè)備需要改造以外，煤礦供電系統(tǒng)技術(shù)手段已經(jīng)無法達到繼電保護選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個要求。繼電保護的整定值不恰當(dāng)，主保護、近后備保護和遠后備保護設(shè)置方式不合適，當(dāng)出現(xiàn)故障時，保護裝置出現(xiàn)誤動、拒動，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)和人身安全[6]。總之，對當(dāng)前地面供電系統(tǒng)的技術(shù)改造關(guān)乎著煤礦的健康發(fā)展。

1.2 技術(shù)改造原則

技術(shù)改造需立足于一定的原則，具體如下：

1）嚴(yán)格遵守國家對煤礦的安全生產(chǎn)規(guī)定，在保證安全的前提下進行相應(yīng)的技術(shù)改造；

2）保證一定的經(jīng)濟性，避免復(fù)雜、大動干戈的變動，減少工期，并進行有效的經(jīng)濟效益評估，確保成本最小化、利益最大化，充分發(fā)揮資金的使用效益；

3）充分了解當(dāng)前的供電情況，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件，在遵守設(shè)備的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)前提下，提出合理的、合適的改造方案，確保方案具有一定可行性；

4）對重點技術(shù)改造要嚴(yán)格遵守項目規(guī)定，項目依照程序進行申報、審批、報備，落實責(zé)任到人、領(lǐng)導(dǎo)監(jiān)督和科學(xué)管理。

2 供電設(shè)備升級

從當(dāng)前地面供電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀中看到，設(shè)備落后、老化帶來的安全問題最為首要。本文從輸配電兩個環(huán)節(jié)入手，對當(dāng)前的供電設(shè)備提出改造措施。

2.1 輸電線路改造

供電系統(tǒng)中，長距離架空線路在整個系統(tǒng)中比例很高。架空輸電線路與煤礦地面之間的距離隨著地形的變化而發(fā)生改變，有些已經(jīng)不滿足安全供電距離要求。要增加架空線路與地面的安全距離，具體可參考《110～500 kV 架空電力線路施工及驗收規(guī)范》，并且由于煤礦工作地面的復(fù)雜性，適當(dāng)增加10%～20%的裕量，確保架空線路的安全性。此外，針對混凝土電桿出現(xiàn)的裂縫，應(yīng)該在桿塔外部增加保護層，避免長時間暴露在外引起的破裂或者其他惡劣天氣帶來的輸電干擾。

2.2 變壓器改造

針對變壓器擴容問題，在地面供電系統(tǒng)中可增加三臺主變壓器，分別承擔(dān)重要負荷供電、一般負荷供電以及提供熱備用電源，以確保變壓器有足夠的容量完成可靠性供電。

2.3 斷路器改造

針對地面供電系統(tǒng)超負荷現(xiàn)象，對供電線路采用全橋接線，將兩個進線斷路器設(shè)置在高壓開關(guān)柜內(nèi)。并且采用高壓真空斷路器，確保當(dāng)負載端超負荷時，起到反時限保護作用。

3 繼電保護技術(shù)改造方案

3.1 繼電保護防越級跳閘

3.1.1 越級跳閘問題

在地面供電系統(tǒng)限時電流保護中，為了保證保護具有選擇性，會設(shè)置一個延時△t，即上級線路比下級線路多一個△t，通常設(shè)置為0.5 s。地面主工業(yè)場地35 kV 進線端保護時限是給定的，時限一般為1 s。從進線端到饋出線，再到井口中央變電所進線，線路級數(shù)增多。當(dāng)線路保護的級數(shù)過多時，整定保護時限重疊，難以保證下級線路的時限，很容易造成越級跳閘現(xiàn)象。

其次，由于短距離供電線路中的線路阻抗較低，當(dāng)故障發(fā)生在線路末端時，線路首末兩端中故障電流大小相差不大，保護機構(gòu)不易區(qū)分兩端電流，難以保證線路保護的靈敏度，也很容易造成越級跳閘現(xiàn)象。

3.1.2 技術(shù)方案

為了解決越級跳閘現(xiàn)象，本文提出了兩個解決方案。

第一，采用縱聯(lián)電流差動保護方案，其原理圖如圖2、圖3 所示。通過測量并比較線路兩端電流的幅值和相位判別線路內(nèi)部故障還是外部故障。

線路正常運行或發(fā)生外部故障時原理圖如圖2所示。從圖2 可得，流過差動繼電器KD 的電流如公式（1）所示：

圖2 外部故障或正常運行時原理圖

當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時，如圖3 所示。流入繼電器KD 的電流為如公式：

圖3 內(nèi)部故障時原理圖

最后判斷當(dāng)流入繼電器KD 的電流大于繼電器的動作電流值時，繼電器瞬時動作，切除故障，起到防越級跳閘問題。

第二，采用時間級差閉鎖保護方案。假設(shè)當(dāng)線路某一級發(fā)生故障后，繼電保護裝置會向上一級線路發(fā)送故障信號，當(dāng)對每一級保護裝置設(shè)置一定的延時后，只有在延時期內(nèi)本級線路沒有再接收到下一級傳來的故障信號，本級保護才會動作。原理圖如圖4 所示。

圖4 時間級差閉鎖保護原理圖

3.2 繼電保護防單相接地

3.2.1 單相接地故障問題

單相接地故障多發(fā)生于地面供電系統(tǒng)中，并且當(dāng)故障發(fā)生后，地面繼電保護只報警不掉閘，造成井下中央變電所低壓保護系統(tǒng)中電壓、電流變化，進而引起井下中央變電所高壓開關(guān)漏電保護系統(tǒng)誤動。這種情況會導(dǎo)致井下大面積的停電，引起重大事故。

3.2.2 技術(shù)方案

針對這種情況，應(yīng)該在地面供電系統(tǒng)高壓饋線上安裝單相接地選線保護裝置。當(dāng)任一線路發(fā)生單相接地故障時，快速切除故障線路。相比人工操作過程，大大減小了選擇故障線路的工作量，避免了人工操作過程導(dǎo)致的無故障線路供電中斷問題。

4 結(jié)論

地面供電系統(tǒng)在整個供電系統(tǒng)中占有重要位置，關(guān)乎著煤礦的安全生產(chǎn)能否順利進行。本文針對當(dāng)前煤礦地面供電系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題，從供電設(shè)備升級和繼電保護技術(shù)改造兩個方面提出相應(yīng)的技術(shù)改造方案，保障了供電安全穩(wěn)定，提高了煤炭行業(yè)的運行標(biāo)準(zhǔn)。