煤礦變電站單母線分三段設計辨析

周在陽，吳 振，張 滇，李鵬云

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054;2.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

近年來，煤礦變電站設計方案中越來越多的選擇安裝3臺變壓器，正常運行時2臺運行1臺備用。為保證煤礦變電站內1臺主變檢修或故障時，其余變壓器的容量應能保證主變壓器的一級和二級負荷用電，且保證1條母線故障時，不能影響2臺主變壓器的正常運行，因此單母線分2段接線、內橋接線等電氣主接線方式已不滿足煤礦供電要求，需采用可靠、靈活、經濟的電氣主接線形式。本文主要研究2條進線3臺變壓器配置的煤礦變電站的電氣主接線方式，并針對單母線分3段接線形式，著重探討電壓互感器的并列和切換、備自投(備用電源自動投入使用裝置的簡稱)等回路的設計問題和解決措施，對今后的設計工作起到指導和借鑒作用。

1 2條進線3臺變壓器的變電站主接線方式選擇

《煤炭工業礦井設計規范》第12.2.2條規定礦井應由雙重電源供電，當一電源中斷供電時，另一電源不應同時受到損壞；第12.5.3條規定礦井地面主變電所主變壓器不應少于2臺，當1臺停止運行時，其余變壓器的容量應保證主變壓器的一級和二級負荷用電[1]。這就要求煤礦變電站的設計至少要保證2回電源進線和2臺主變壓器，且要求電源進線、主變壓器的事故保證率為100%。

選擇3臺變壓器，正常運行時2臺運行1臺備用，與2臺變壓器的變電站相比，單臺變壓器的容量要小的多。按照事故保證率100%考慮，假設3臺變壓器配置的變電站需2臺變壓器承擔100%的負荷，2臺變壓器配置的變電站在事故情況下1臺變壓器承擔100%的負荷，則3臺變壓器配置的變電站內單臺變壓器的容量選擇僅為2臺變壓器配置的變電站中單臺變壓器容量的50%，且變壓器能在經濟負荷率下運行，若1臺變壓器檢修或故障，不會間斷供電，供電可靠性較高，并可以根據負荷增長分期建設第3臺變壓器，經濟性較好。若選擇2臺變壓器，當一臺變壓器檢修或故障時，另一臺變壓器需滿負荷運行，導致變壓器運行經濟性變差，因此3臺變壓器的模式在煤炭變電站中的應用越來越多。

方案1：雙母線接線形式[2]。每一回路都經1臺斷路器和2組隔離開關分別與2組母線連接，母線之間通過母線聯絡斷路器連接；可靠性和靈活性大大提高，但是倒閘操作比較復雜，運行中隔離開關作為操作電器，容易發生誤操作；且當母線發生故障時，需短時切換較多的電源和負荷，配電裝置復雜，投資較多，經濟性差；若用于110 kV變電站時可采用雙母線電氣主接線。

方案2：單母線分3段接線形式。3臺變壓器分別接入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線上，2條進線分別接在Ⅰ、Ⅲ段母線上，Ⅱ段母線不外接負荷，為節約投資，僅在Ⅰ、Ⅲ段母線上裝設電壓互感器。此種接線方式在設置3臺主變壓器的35 kV變電站或110 kV變電站的中低側應用較多，電氣主接線如圖1所示。

文中主要討論單母線分3段接線在煤礦變電站設計中存在的問題和對策。

2 備自投裝置在單母線分3段接線的設計

2.1 分段斷路器位置及備自投閉鎖問題

備自投裝置是一種安全自動裝置，能有效提高供電可靠性[3]。但備自投裝置一旦發生不正確動作，將造成大范圍停電事故[4]。因此在設計中應充分考慮單母線分3段接線模式下備自投回路的設計，防止發生備自投裝置的不正確動作。

圖1 單母線分3段電氣主接線Fig.1 Electrical main connection of single busbar in three sections

《煤礦安全規程》(2022)第436條規定正常情況下礦井電源應采用分列運行方式。因此在煤礦變電站設計中優先考慮用分段備自投的方式恢復供電。

對單母線分3段的接線形式，當一條線路檢修或其他原因退出運行時，所帶的負荷必須由相應的分段斷路器轉至另一條線路上，這時2個分段斷路器在合閘位置，3段母線并列運行。以現有工程為例，備自投裝置采用國電南自PSP-641U[5]，備自投接線示意如圖2所示。

圖2 分段備自投方式示意Fig.2 Schematic diagram of sectional standby automatic switching mode

正常運行時，煤礦變電站單母線分3段接線有3種運行方式：①分段斷路器3DL、4DL在分閘位置，1DL、2DL在合閘位置；②分段斷路器3DL在分閘位置，1DL、2DL、4DL在合閘位置；③分段斷路器4DL在分閘位置，1DL、2DL、3DL在合閘位置。

備自投裝置應能適應前述任一種運行方式下的分段備自投功能，若任一條線路故障時，只需要合上處于分閘位置的分段斷路器即可恢復供電。因此本備自投的分段斷路器位置接入需要把3DL、4DL分段斷路器的位置串接，即只有當2個分段斷路器均處于合閘位置時備自投裝置才放電。

若任一母線發生故障，為防止備自投到故障母線上，造成全站停電，對煤礦安全造成極大影響，應采取措施防止類似事故的發生。若配置有母線差動保護，則母線差動保護動作應閉鎖備自投裝置；若未配置母線差動保護，一般煤礦變電站的進線側安裝有線路保護裝置，可利用相應的進線保護來閉鎖備自投[6]。

2.2 備自投跳線路斷路器控制回路問題

備自投裝置接入斷路器控制回路時，備自投跳線路斷路器要接在保護跳閘開入位置上，跳線路斷路器的同時應閉鎖線路重合閘。備自投動作時不能將合后繼電器置分位，備自投合分段斷路器要接在手合開入接點，動作時將合后繼電器置合位。若備自投跳線路斷路器時接到了手跳開入位置，備自投采樣線路斷路器的合后位置開入消失，備自投裝置將判斷是人工操作，引起備自投裝置放電，造成備自投裝置拒動。

在PSP-641U備自投裝置的動作邏輯中，跳進線開關的同時，開出1付接點接至線路保護閉鎖重合閘輸入；合分段斷路器時，僅有1付分段斷路器的合閘接點，為同時實現2個分段斷路器的合閘，可采用以下2種方法。

方法一：備自投裝置同時輸出2付分段斷路器的合閘接點，此方法需要與廠家溝通，提供具備該功能的備自投裝置。

方法二：采取外置中間繼電器拓展2付合閘接點，設計人員在設計時可結合實際情況取舍。

2.3 備自投裝置的定值整定問題

除備自投回路接線必須正確外，備自投裝置定值的整定也是實現備自投功能的關鍵，兩者不可或缺，需通過傳動試驗進行驗證無誤后方可投入。備自投裝置的軟壓板和控制字均按照設定的備自投方式進行整定，其動作時間應大于本級線路電源側后備保護動作時間，需要考慮重合閘時，還應大于本級線路電源側后備保護動作時間與線路重合閘時間之和，同時應大于工作電源母線上運行電容器的低壓保護動作時間[7]。

3 單母線分3段接線電壓回路設計

電壓并列裝置和電壓切換裝置都是變電站中的重要裝置，電壓并列裝置在雙母線接線、母線分段接線、橋接線等接線方式下，當一母線電壓互感器檢修時，將兩段電壓回路并列，保證站內二次設備的電壓正常。在雙母線接線方式下，電壓切換裝置可根據母線刀閘的位置，自動切換到相應母線電壓互感器的二次電壓。近年來，因電壓并列、切換裝置并列切換異常造成的事故屢有發生[8 -11]，因此在設計中應充分考慮單母線分3段接線模式下電壓的并列、切換回路。

如圖2所示，煤礦變電站采用單母線分3段接線，為減少投資，不在Ⅱ段母線上安裝電壓互感器，僅在Ⅰ、Ⅲ段母線上安裝，因此在電壓回路設計中，與常規單母線分段接線相比，不僅涉及到Ⅰ段、Ⅲ段母線的電壓并列回路，還涉及到Ⅱ段母線的電壓切換回路。

3.1 電壓并列回路

電壓互感器二次回路并列的條件是一次母聯斷路器或分段斷路器在合閘位置，且兩側隔離開關也在合閘位置，即只有在一次并列的情況下，其二次電壓回路才允許并列，嚴禁一次未并列的情況下將二次并列。因此要實現Ⅰ、Ⅲ段母線的電壓并列，必須滿足2個分段斷路器和2個隔離柜均在合位的條件。

常規變電站站內的電壓并列二次回路是由母聯(分段)斷路器及兩側刀閘的輔助接點與中間繼電器構成硬件接點回路，實現二次電壓的并列。對單母線分3段接線模式，需2個母聯(分段)斷路器位置和2個隔離柜的位置接點串接來實現電壓并列。

3.2 電壓切換回路

電壓并列裝置僅能實現Ⅰ、Ⅲ段母線間的電壓并列，而不能實現Ⅱ段母線電壓的選取；II段母線電壓既可取I段母線電壓，也可取Ⅱ段母線電壓，因此需要對Ⅱ段母線電壓單獨處理。

Ⅱ段母線經2個隔離柜、2個分段斷路器跨接在Ⅰ段、Ⅲ段母線上，與雙母線接線的進出線一致，因此Ⅱ段母線電壓采用電壓切換裝置進行電壓切換。若1DL和3DL斷路器在合閘位置時，Ⅱ段母線電壓取Ⅰ段母線電壓；若2DL和4DL斷路器在合閘位置時，Ⅱ段母線電壓取Ⅲ段母線電壓。

當進線2檢修或故障時，進線1帶全站負荷，此時若1DL、3DL和4DL斷路器均在合閘位置時，電壓切換裝置將會發出“切換繼電器同時動作”，若Ⅰ、Ⅲ段母線存在電勢差，將會在電壓切換回路中形成很大的電流，有可能燒毀電壓切換繼電器，且此時若某一電壓二次回路出現故障，將有可能造成兩段電壓回路失電，造成全站的二次電壓回路失電，嚴重威脅變電站的安全運行。文獻[12]對兩段母線的電壓切換回路作了改進，將分段斷路器的常閉接點并聯后串入切換回路，當2個分段斷路器同時合閘時，Ⅱ段母線僅能取Ⅲ段母線電壓，若此時Ⅲ段母線電壓互感器故障或檢修，Ⅱ段母線電壓將會無法取得電壓。

因煤礦變電站一般分列運行，2條電源進線僅在運行方式變更時存在短時并列，為避免2個分段斷路器合閘時，2個電壓互感器長時間處于并列的可能，在電壓切換回路里串接入對應進線斷路器的動合接點，若1DL、3DL、4DL合閘，進線2DL分閘，此時Ⅱ段母線電壓將取的是Ⅰ段母線電壓；若2DL、3DL、4DL合閘，進線1DL分閘，此時Ⅱ段母線電壓將取的是Ⅲ段母線電壓，其中3G、4G為分段隔離柜的位置接點，切換回路如圖3所示。

圖3 Ⅱ段母線電壓切換回路Fig.3 Voltage switching circuit of section Ⅱ busbar

4 結語

著重討論2條進線3臺主變配置的煤礦變電站設計中存在的問題，提出解決措施，且已在實際工程中得到應用，對煤礦變電站運行的可靠性、經濟性和安全性大有裨益，可為類似變電站的設計提供借鑒和參考。