煤礦井下機械供電設備可靠性優化設計

楊定宙

（山西西山礦業管理有限公司，太原 030053）

0 引言

煤礦礦井通常是在復雜環境條件下布設的，且井間設備分散，距離較遠。為控制成本，大多數煤礦礦井在采用機械供電設備的時候通常采用單線供電，單根電線串聯起井下所有機械設備，顯然就會存在負荷較大、抗風險能力較小、分布電流較大、串聯環境復雜等問題。且這些單根電線在井下呈輻射狀分布，連接的距離很短，而井下使用的機械供電設備數量多時，就會導致井下經常發生跳閘事故，降低煤礦采集效率的同時，也增加了井下工作人員的安全隱患，若發生火災等事故，后果將不堪設想。為了控制礦井布設的成本，也為了提升礦井用電安全性，有學者提出使用補償裝置[1]，用來補償井下單根電線串聯供電時電壓不足的問題，補償裝置中最常使用的是投切無功補償裝置。但該裝置目前為止仍存在一定的技術問題，使用時容易導致電壓過量，同樣存在安全隱患。于是基于相控投切技術的供電方式應運而生，多位學者研究表明，該供電方式可以有效保障井下用電的穩定性[2-4]。

1 煤礦企業供電基本需求

煤礦企業供電的基本需求包括安全性、可靠性、合理性、經濟性[5]。放在首位的是安全性，首先要嚴格遵守《煤礦安全規程》中的相關規定，此外還要采取的措施有防潮、防蟲、防觸電等，保障采礦過程中的供電安全；其次是可靠性，在采礦過程中能夠可靠滿足用電需求，保證安全生產；然后是合理性，即礦井采用的供電技術的電壓、譜波成分需完全滿足技術要求，并且安全可靠；最后是經濟性，在滿足安全性、可靠性、合理性的前提條件下，應盡可能降低電能的浪費，減少耗電程度，以此來控制成本從而增加企業效益。

2 對礦井供電系統進行可靠性技術優化的意義

1）煤礦發展的必然要求。科技發展迅速，影響廣泛，煤礦采集方面也不例外。隨著信息化時代的到來，煤礦采集工作的自動化、信息化也日漸增加，隨之而來的就是煤礦采集機械設備使用的電力需求的增加，自然就對供電設備的安全性、可靠性、合理性、經濟性提出了越來越高的要求[6]。針對這些要求，各煤炭公司也做出了相應的技術改進，但仍存在各種各樣的問題，比如改進不徹底、不全面、運行方式不合理，缺少評估系統、缺少全面性、安全保護不到位等。這就需要我們提出一種全面、可靠、安全、徹底、合理、具備評估系統的供電方式。

2）煤礦體制改革的需要。與過去相比，目前的煤礦供電系統管理有著翻天覆地的變化，各煤礦企業對其內部的問題進行了改進、重組、改制，并將其生產責任外包，由多家公司進行集體管理或分部分管理，責權下放，責權到人，打破傳統的一家統一、一家管理的局面，提高了煤礦供電系統管理的效率和安全性。

3）實現安全型礦井目標的需要。礦井工作人員的安全問題必須得到重視，這是礦井工作的首要目標。所以，安全的供電方式就必須得到重視。只有改良線路、完善電力系統、提高安全水平，才能為礦井生產工作提供最基本的安全保障。

3 煤礦井下機械供電設備常見的問題

3.1 繼電保護配合問題

全機械化、自動化背景下的礦井工作模式，供電系統尤為重要。供電系統中的安全性、供電系統的可靠性都將直接影響煤礦的正常生產和有效運行，因此，需要有同樣可靠的監控設備對供電系統的運行狀態進行監視，也需要有同樣可靠的保護設備對供電系統的運行狀態進行保護。其中，最重要的措施就是繼電保護。傳統供電系統通常有線路較短、負荷較大、線路較多、線路較復雜等特點，這為礦井實際工作中的繼電保護造成了一定程度上的約束，使其不能完全等同于其他供電系統中的整定一致原則，在具體的礦井工作中需要對其進行具體考慮。

3.2 諧波電流問題

在礦井的布線工作中不可避免地采用一些較高性能的開關元件。雖然電力電子技術在這些年來得到了不斷的發展和應用，但是這些開關元件在礦井應用中仍會產生大量諧波。在礦井使用中這些大量諧波會直接影響到井下電氣設備的正常運行，給井下工作帶來一定程度上的安全隱患，包括如通信交流等方面。同時，部分礦井會采用四象限變流技術對電動機進行調速，該類技術通常會加大高次諧波的產生，導致莫名故障的產生，例如電動機絕緣部分有損壞、電纜接頭處出現意外事故等[7]。同時會導致加大電氣設備損耗、降低電氣設備效率等，也會在一定程度上威脅工作人員的人身安全。所以需要采取一定措施來消除諧波的干擾，這樣才能減少其對電氣設備的影響和降低對人員安全的威脅。

3.3 系統發生諧振問題

礦井下的供電系統通常采用中性點接地的方式。使用6 kV母線，外加電壓互感器TV的綁定，通過采用消諧器使礦井系統中性點達到接地效果。當供電系統運行正常時，電壓互感器中通常會在一定程度上產生較大的勵磁阻抗，但三相仍然能夠保持基本的平衡狀態，保障了中性點處沒有很大的位移電壓的產生[8]。但在某些特殊時刻，例如系統剛解除接地故障時，位于電壓互感器中的鐵芯容易在瞬間產生較小的勵磁阻抗，然后產生較大的電壓，較大電壓的產生會引起一些設備之間振蕩回路的產生，于是就會在一定程度上引發諧波過電壓的現象[9]。一旦出現該類現象，極大的電壓就會導致電氣設備的絕緣部分受到損害，甚至可能導致設備燒毀。此外，電壓互感器中存在的過度飽和的鐵芯，也會導致保險絲熔斷現象和損毀電壓互感器的現象。而此時的電壓保護器也會受到過度電壓的影響，導致錯保護現象的發生。

3.4 井下供電系統長距離控制問題

大型煤礦在進行綜合采礦工作時，其工作使用的電力負荷較大，而采用單線供電的方式很容易導致供電線路的壓力突然間增大，然后出現啟動困難、突然斷電等情況，影響礦井工作。

4 煤礦供電系統無功率補償裝置的工作原理

礦井下配置的供電設備通常情況下分為有功功率運行狀態和無功功率運行狀態兩種不同的運行方式。有功功率提供系統正常運行所需的電力，無功功率提供系統中用電設備自身磁場產生所需的電力。有功功率對于供電系統來說是正常的，而無功功率對于供電系統來說無疑增加了其電力的損耗程度，以及設備的損耗。無功功率也會降低礦井供電系統中供給電流的穩定性、供給電能的質量，而且這類影響通常都非常嚴重。簡單來說，就是供電系統在正常運行工作中，供電系統中所有的用電設備會從供電電網上獲得電壓來完成自身的正常運行，這類電壓的獲取即為有功功率。但是供電系統中的用電設備除了需要獲得滿足自身正常運行的電壓之外，還要獲得可以滿足自己建立電磁場的額外電壓[10]。這類額外電壓稱為無功功率。當供電電網無法提供系統所需的額外電壓時，整個供電系統中的用電設備就無法建立自身電磁場，導致供電系統無法正常工作，也會嚴重損害用電設備自身的壽命和安全性。目前，使用無功功率的補償裝置可以有效實現對無功功率的補償，使供電電網可以滿足系統所需的額外電壓。此時，設供電系統所需要的所有的無功功率為P，設供電系統所使用的無功功率補償裝置容量為Qc，設供電系統中的用電設備所消耗的所有無功功率為Q，設供電系統的總線路長度為S，則供電系統內所用用電設備導致的功率損耗公式如式（1）所示[11]：

式中：R為供電系統中的用電設備電阻；X為供電系統中的用電設備阻抗；U為供電設備電壓。

系統中建立補償裝置后，可以有效地降低整個供電系統正常運行時的功率損耗，而且也減少了供電電網所需要供給的無功功率的壓力，減壓后的供電電網的穩定性可以得到明顯提升，可以幫助整個供電系統的工作效率得到進一步提高。

供電設備電壓損耗計算公式為

可以看出，使用無功功率補償裝置進行電壓補償工作之后，不僅可以降低整體的供電系統的電壓的損耗，而且可以使供電的環境更加穩定，供電的質量也更加優良，保證了工作運行效率，也保障了井下工作用電的穩定性和安全性。

5 新型相控投切技術工作基本原理

井下的電氣機械設備在進行工作時會產生兩種信號：一種是電壓信號，一種是電流信號。兩者間存在相位角度。在相位角度最優時開啟開關或關閉開關，對于井下用電的消耗程度十分友好，不僅可以保障用電穩定性、高效性，還可以降低用電成本[12]，減少對煤礦供電設備的損耗，該技術即為現在發展迅速的相控投切技術，圖1為該技術的工作原理圖。

圖1 相控開關工作原理示意圖

6 供電設備相控投切無功功率補償結構設計

在整個供電系統中通常會有多個用電設備需要進行電力供給工作，而這樣的多用電設備環境會存在很多的非線性電壓沖擊，非線性電壓沖擊通常也是導致供電穩定性較差的原因之一[13]。故設計一種新的電容器組件結構，使得非線性電壓沖擊量有效減少。高壓開關過零點處的電容器組合結構作為一種新型結構形式，在設備的無功補償工作過程中具有較高的可靠性，且使用方便、維護成本低。

該類新的電容器組件結構適用于目前大多數設備，可以用在6000 V的供電設備中，采用的設計原理可以簡單描述為：設置兩個檢測單元，一個檢測單元專門用于對供電系統中自身的無功功率供給進行檢測，另一個檢測單元專門用于對無功功率補償裝置進行檢測，然后將檢測結果綜合匯總到控制中心，實現分而治之的動態監測。具體的監測系統設計有五大模塊，分別是：DSP/CPLD中心控制模塊、驅動模塊、檢驗控制模塊、信息傳輸模塊、執行模塊。

1）DSP/CPLD中心控制模塊。DSP/CPLD中心控制模塊是核心，負責供電系統中其余各個自模塊的信息統計與分析，根據各個模塊的運行狀態以及用戶需求發出具體指令，保障整個供電系統的運行效率以及井下各機械自動化用電設備的持續運行。

2）驅動模塊。在DSP/CPLD中心控制模塊發出具體指令后，驅動模塊負責獲得該指令并對該指令進行解析，實現開關控制操作。

3）檢驗控制模塊。檢驗控制模塊負責檢驗整個供電系統的運行狀況，該模塊通過對無功補償系統進行持續不斷的檢驗，對電流信號進行持續不斷的檢驗，以保障供電的穩定性和安全性。該模塊將檢驗結果發送至DSP/CPLD中心控制模塊，實現對供電系統工作效果的控制。

4）信息傳輸模塊。信號傳輸模塊使用CAN總線模塊進行供電系統中各類信號的傳輸。該模塊負責將檢驗控制模塊中的檢驗信號傳輸到DSP/CPLD中心控制模塊中，也負責將DSP/CPLD中心控制模塊中的指令傳輸到其他各個子模塊中。要實現該模塊的具體能力，那么就需要考慮該模塊的數據傳輸功能、抗干擾功能。

5）執行模塊。執行模塊是供電系統中的具體執行機構，包括控制開關、熔斷器等。具體的熔斷器的主要結構及其內容形式如圖2所示。

圖2 具有永磁結構的高壓開關在控制信號的過零點處投切的電容器組結構

7 井下供電系統必須嚴格落實和實施的措施

1）統一使用聚乙烯交聯電纜，該類電纜具有高絕緣性，壽命較長，維護成本低，可以提高使用安全性以降低事故發生率。在進行電纜管理時，需要制定規范的管理制度，以保障供電安全。

2）統一使用干式變壓器。嚴禁使用油浸變壓器和油斷路器。油浸變壓器和油斷路器絕緣程度較低，容易引發爆炸。干式變壓器絕緣程度高、質量可靠，具有完善的功能，可以有效避免爆炸事故的發生。為了保障供電安全性和人員的人身安全，采用干式變壓器非常必要。

3）井下配備有多種類型的配電系統時，應當具體明顯地標注各類配電系統的電壓額定值。

4）注意配電系統圖的完整性。對于有變化的配電系統應及時更新配電系統圖，使用變壓器、電動機等的需要在配電系統圖上進行明確標注。同時應注意配電系統圖的制作規范性。

5）注意電氣設備的驗收程序。所有要使用的電氣設備都需要經過相關部門的檢驗驗收。

6）注意防爆設備的合格性，下井前需嚴格檢查防爆設備的手續完整性，是否具備合格證書等。

7）注意檢驗維護工作的專業性。所有電氣設備的檢驗工作和維護工作都應該由專業人員處理。

8 結語

通過對實驗計算的結果進行統計分析發現，對供電系統的無功功率補償性提升效果最大的方式是使用高電壓控制開關，該類高電壓控制開關需要采用永磁結構，并且安裝在零點投切處。該設計方法有效地提高了井下供電系統的整體供電穩定性和可靠性，減少了實際供電工作中的不穩定性，很大程度上解決了過去井下工作用電時的斷斷續續以及安全隱患。此外，該設計方法還有更多的效益，例如可以有效提升煤礦行業的經濟效益和安全性，促進煤礦行業的快速發展。