礦井井下供電的綜合自動化技術分析

高鳳山

（鐵煤集團內蒙古東林煤炭有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 013350）

1.引言

隨著煤礦運輸設備和采煤機組的不斷應用，礦井井下供電系統面臨極大的挑戰和壓力。要采用先進的綜合自動化技術，加強井下供電監控監測，提高供電的安全可靠性。

2.礦井井下供電系統存在的問題

礦井井下供電系統存在的問題主要表現在三方面。一是繼電保護配合問題，傳統的繼電保護整定方案無法與上級線路保護相配合，降低了保護裝置的穩定可靠性；二是諧波電流問題，開關元件應用普遍，由此帶來了諧波影響和干擾的，同時，礦井井下供電裝置大多采用四象限變流技術的大功率變流裝置，存在大量的高次諧波，容易降低電氣設備運行效率，引發各種電氣故障；三是系統諧振問題，供電系統中性點經過消弧線圈接地，電壓互感器、電纜電容及其他設備的雜散電容間極易形成振蕩回路，使電壓保護裝置在過電壓干擾下出現保護誤動。其他問題還包括供電線路長、負荷大，設備啟動困難等等。

3.礦井井下供電系統的優化方案

一是礦井井下繼電保護整定。根據現場情況設定繼電保護并優化其整定電流值，在下井線路上設定時限過流保護、限時速斷保護和瞬時速斷保護三點式保護，使保護時限、整定值與相鄰線路配合。重新設定變壓器保護的負壓閉鎖值，保證變壓器后備保護的可靠性。二是礦井井下諧波治理優化方案，即在整流變壓器的供電母線上安裝諧波濾波器，進行供電系統的測試與計算，設計一套靜止型動態無功補償裝置（SVC），利用濾波裝置進行補償和濾波，保證系統電壓的平穩性。三是消除系統諧振的優化措施，即通過改變電容、電感參數的方式，采用自動調諧補償裝置、中性點接入參數適宜的消弧線圈、電壓互感器中性點經消諧器接地等方法，較好地消除系統諧振現象。

4.礦井井下供電自動監控系統的應用分析

4.1 礦井井下供電系統概況

副井井底附近設有10 kV中央變電所，雙回路10 kV電源引自地面變電所不同母線段，選取交聯鎧裝銅芯電纜沿副立井井筒敷設下井，敷設長度為285 m；中央變電所中安裝一臺礦用隔爆干式變壓器和14臺高壓開關柜10臺低壓開關，高壓開關柜向三臺主排水泵、西一采區變電所、西一四煤采區變電所、東一高壓配電點提供10 kV高壓電源，三臺主排水泵電源分在兩段母線上，各采區變電所都為雙電源供電。各采區變電所向不同回采工作面供電。井下變電所及高壓配電點采用隔爆型干式變壓器和礦用隔爆式高壓開關及低壓開關供電，掘進工作面局部通風機則采用雙風機雙電源自動切換的“三專”供電方式，并安設有風電瓦斯閉鎖裝置。

4.2 礦井井下供電自動監控系統的設計與應用

當前礦井大多采用綜合自動化系統，如礦井安全監控系統、生產監控系統、電力監控系統、通風監控系統等，不斷推進礦井作業的自動化和信息化水平。

礦井井下供電自動監控系統的功能要求方面，礦井井下電氣設備實現了過電流保護、漏電保護、保護接地三大保護，其過電流保護是指電氣設備和電纜的電流超出其額定電流，降低電氣設備和電纜出現短路、過負荷、斷相等過流故障幾率。漏電保護主要是對電網集中性漏電和分散性漏電的保護；保護接地是采用導線將電氣設備金屬外殼和框架與埋在地下的接地極相連，實現對電氣設備的保護。礦井井下供配電設備及綜合保護器的功能要求主要體現于以下方面：一是選擇性。保護裝置要具有動作的選擇性，能夠合理地選用保護方式，正確整定計算和調整試驗，較好地保證無故障設備繼續運行，最大程度縮減停電范圍。二是快速性。在電力系統的短路故障下，有極大的短路電流，使系統電壓大幅下降，影響系統運行的穩定可靠性。對此可以采用井下供配電設備和綜合保護器快速切除故障設備，保證非故障部分的正常穩定運行。三是靈敏性。保護裝置要具有足夠的靈敏性，能夠在系統出現故障時進行保護。四是可靠性。保護裝置要正確反映保護范圍內的正常運行和故障狀態，保證做到不誤動和不拒動。五是防越級跳閘。注重開關及保護設備的選型，要選取相同型號的開關及保護接線方式，避免保護方式不同而導致開關誤跳閘的問題。

礦井井下供電監控系統的綜合自動化關鍵技術包括四方面。一是設計并采用智能采集器。考慮到礦井井下空間狹窄、環境潮濕且存在涌水、瓦斯、煤塵等現狀，要設計和選用適宜的智能采集器，利用該裝置監測礦井井下供電系統的運行狀態，實現礦井井下供電的在線實時監測、控制和遠程遙控，并要保證智能采集器的連線，要使高壓真空開關內的綜保電路和控制執行機構能夠獨立工作，有效實現智能采集器的光電隔離。智能采集器的電源設計和選型融合了隔爆技術、本安技術、開關電源技術和UPS技術，可以選擇應用DC24V和DC18V本安型電源，利用其雙重化的穩定輸出和雙重化過流保護的功能，為智能采集器提供電源支持。如圖1所示，通過K7805芯片和隔離電源B0505轉化為5V電源，利用隔離電源B0505進行兩個電源的隔離，有效隔離地線噪聲、高共模電壓。二是通信技術。基于工業以太環網技術構建高速光纖網絡，實現井下供電監測主站與各監測分站之間的數據鏈接和傳輸，各個監測分站通過RS485通信接口連接到井下高速環網交換機并實時通信。三是雙向通信技術。設計選用雙單片機結構，通過雙口RAM進行供電數據的暫存、緩沖等操作，實時快速地將井下各變電所的數據傳輸給監測分站，實現供電系統的雙向實時在線通信和監控。四是系統的分、合閘。由專人進行礦井井下供電系統的遠距離分、合閘操作，通過計算機操縱執行主站端控制命令的發送，實現系統遠距離分、合閘的專線傳輸、實時監測和定時中斷。

圖1 礦井井下供電智能采集器的電源設計圖

4.3 礦井井下供電監控系統的構成

系統采用100/1000M工業以太網技術構建三網合一網絡平臺，在計算機集中遠程控制下，實時在線獲悉礦井井下安全、工況、圖像等信息，實現對井下電氣設備的有效管控，系統結構圖如圖2所示：

圖2 礦井井下供電監測系統結構圖

一是地面監控主站。在地面生產調度中心配置兩臺數據采集服務器，即：實時數據庫服務器、Web服務器，操作監控主站配置兩臺工業控制計算機，實時數據庫服務器進行變電所系統數據的備份，Web服務器則進行變電所系統實時數據的對外發布，及時獲悉設備運行狀況、運行參數，并以調度中心和機房作為變電所監控系統的核心樞紐，實現管控一體化。二是井下監測分站。在礦井井下供電監控系統綜合自動化之中，要設計和應用井下電力監測分站，內設高性能工業嵌入式通訊服務器、供電電源、光端設備，采用分層分布式系統，滿足礦井井下綜合自動化系統的功能要求，體現出高可靠性、靈活性和可擴展性。主要采集、過濾和置換井下中央變電所、三下和四采區變電所綜保器及高低壓開關的狀態、母線電壓/電流/有功功率/無功功率等參數，由井下監測分站進行數據計算、分析和存儲，再經由井下以太環網將其傳送至地面監控主站。

5.結語

礦井井下供電系統的優化方案，需要加強供電監測監控，實時在線獲悉井下中央變電所及各采區變電所的運行狀況，獲悉母線各個電氣參數，在綜合自動化技術的支持下真正實現“五遙”功能，更好地推進煤礦企業生產的自動化、網絡化。