浅谈煤矿供电系统存在的闷题及解决方法.pdf
第 9 期 2 0 0 9年 9 月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Au t oma t i o n No . 9 S e p . 2 0 09 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 9 0 1 2 6 0 4 浅谈煤矿供电系统存在的闷题及解决方法 吴 文 明 , 张 生 刚 , 王 兵 兖 矿集 团兴 隆庄 煤矿 , 山东 济 宁2 7 2 1 0 2 摘要 文章在分析兖矿集团兴隆庄煤矿供电系统现状的基础上, 指出了继电保护整定 困难、 谐波污染严 重、 系统谐振 、 电 气连接 部 分发热 、 电压 波动 范 围大是 煤矿供 电 系统存在 的主要 问题 , 并给 出了具体 的解 决方 法。这 些方法 已在兴 隆庄 煤矿应 用 , 取得 了较 好 的效果 。 关键 词 煤矿 ;供 电 系统 ;继 电保护 ;谐 波 ; 谐振 ;电气发热 中图分类 号 T D 6 0 8 / 6 l 文献标 识码 B 0 引言 煤矿 供 电 系统 是煤 矿 生 产 的重要 辅 助 系统 , 其 运行 的 可靠性 和安全 性直 接影 响煤矿 的正 常生产 和 运行 。随着煤炭生产技术 的不断发展 , 矿井煤炭 产 量大幅度增加 , 大功率采煤机组及运输设备不断应 用 , 大大增加了井下供电系统的负荷 , 也对整个供电 系统 的供 电质 量提 出了更 高 的要 求 。笔者结合 兖矿 集 团兴 隆庄煤 矿供 电系统 的现 状 , 分 析 了煤 矿 供 电 系统 中常见 的问题 , 并给 出 了具 体 的解决 方法 。 1 兴 隆庄煤矿 供 电系统 现状 兴隆庄煤 矿 供 电 系统 的核 心 变 电所 是 一个 3 5 k V变 电所 , 其一 次 电压 为 3 5 k V, 二 次 电压 为 6 k V。2路 3 5 k V 级 电源进线 均来 自济宁 电 网的马 青变电站, 正常情况下, 一个 回路带负荷 , 另一个回 路热备用。矿 自备电厂有 3条并 网线路 2条 3 5 k V 级, 1条 6 k V 级 接入 3 5 k V变 电所。3 5 k V侧分 为 3 段 母线 , 其 中第 三段 母 线 由第 二 段 母 线衍 生 而 出, 专 供 3 主 变 压 器 主 变 。2路 电 源 进 线 、 第一段 母 线 、 第 二 段 母 线 和 1、 2 主 变 之 间 的 一 次 主接线 型式 采用全 桥接 线方式 。 3 5 k V变 电所 主要 供 给 东 风井 变 电所 、 西 风 井 变电所 、 井下中央变电所、 地面 6 k V下 级变 电所等 1 2个变 电所 。其 中 , 东风井 变 电所 和 井 下 中央变 电 所为 2个 主要 的下级变 电所 。井下 中央变 电所 4路 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 2 1 作者简介 吴文明 1 9 6 2 一 , 男 , 高级工程师, 现任兖矿集团兴 隆 庄煤矿 副总工 程师 , 主要从 事煤矿 机 电方 面的管 理工 作。E ma i l x l ww m y k j t . c a 进线来 自3 5 k V变电所 , 分别带 4段负荷 , 4段母线 间有联络开关 , 正常情况下均在分位。东风井变电 所 2路进线来 自3 5 k V变电所的第一、 二段母线 , 该 变 电所内分 2 段母线 , 正常分列运行, 共有 1 5路馈 出, 其中 3路供井下东翼采区。 3 5 k V变电所、 东风井变电所、 西风井扇风机房 变 电所 、 工 广 压 风 机 房 变 电 所 、 井 下 中 央 变 电 所 、 一 2 7 0 变 电所均 已更换 为南 瑞继保 R c s g 0 0 0系列 综 合保护装置 , 并建成 了具有遥测 、 遥信、 遥控、 遥调和 故 障 录波功 能 的微 机 保 护 综 合 自动 化 调 度 监 控 系 统 , 在 3 5 k V变电所和矿调度室便可以集中监控上 述变电所; 井下采区变电所高、 低压开关则均采用上 海 山源电子 有 限公 司生 产 的 K J 一 1 3 7微 机 保 护 综 合 自动化监 控系统 和 Z B T一1 1 型微 机综合 保 护器 , 在矿调 度室 可 以对 其进行 集 中监 控 。 2 矿 井供 电 系统存 在 的问题 大功率 采煤机 组及运 输设备 的大量 使用 对整个 煤矿供电系统的供电质量提出了更高的要求 , 另外 , 新设备的使用也给煤矿供电系统带来了一些新的问 题 , 如继 电保 护整定 值 配合 问题 、 系统 谐波和 谐振 问 题、 井下压降过大问题、 电力设备发热问题等, 这些 问题对整个矿井的安全构成了一定的威胁。 2 . 1 继 电保护 整定 困难 目前 , 在电力部门的输配电系统中, 继电保护的 配置和整定 已经十分成熟 。煤矿供电系统的继电保 护整定和配置主要借鉴了供电部门配电系统的继电 保护整定和配置原则 , 但是煤矿供 电系统 的运行结 构和方式有 自己的特点 , 如井下线路级数较多 、 每条 线路相对较短、 负荷量较大等 , 这些特点决定了煤矿 供电系统在整定和配置继电保护时, 不能完全照搬 2 0 0 9年 第 9期 吴文 明等 浅谈煤矿 供 电系统 存在 的 问题及 解决 方法 1 2 7 供电部门的整定和配置方法, 主要表现在 1 煤矿井下供电系统是一个单侧电源辐射状 电网 , 由于采 区变 电所 距 电源较 远 , 中间经 过 的开关 级数较多 , 需要较长的时限和较大的整定值配合 , 而 供电部门对电源保护的时限和定值 已经 限定, 无法 更改 , 造成给定整定值过小、 保护时限过短 , 保护无 法配合 。 目前 , 采 区 变 电所 的整 定 原则 是 确 定最 远 端 的 负荷性 质和 大小 , 根 据计 算 结 果 整 定供 此 处 负 荷 的 开关定值, 然后逐级向采区变电所计算 , 根据所供负 荷 中功率最大者确定过流保护定值 , 以最远端的短 路电流整定速断保护。依次向上逐级配合, 速断保 护和过载保护的整定值和时限从采区变电所向下逐 级降低。由于目前速断保护整定值过小, 一旦 出现 短路故障, 必然是所有速断保护 同时动作,使得继 电保 护没 有选 择性 , 出现越 级跳 闸 , 从 而扩 大停 电事 故 影响范 围 。 2 在 中央变 电所母 线弧 光短 路时 , 如果 3 5 k V 变电所 6 k V馈 出盘速 断保护 拒动, 只能靠变压器 过 流保护 动作 , 很 可 能造成 全矿停 电事 故 。 3 采区变电所保护一般采用反时限过流保护 方式 , 一直以来没有进行很好 的整定值配合计算 , 采 区变电所出线出现故障时 , 保护没有选择性 , 易出现 越级跳 闸, 扩大停 电事 故影 响范 围 。 2 . 2谐 波污 染加 重 近年来 , 随着电力电子技术的发展 , 各种高性能 的大功 率开关 器件 在煤 矿大量 应用 , 可 控硅 、 变频器 等 电力 电子设 备 的大 量 应 用也 产 生 了大 量 的谐 波 , 导 致 电网 电压 波形 畸变 。 通过 2 0 0 7年 7月 2 3日对兴隆庄煤矿 6 k V母 线 供 电系统进行 电能质量 测试 , 并与 国家标 准 比较 , 得 出该供 电 系统 的 电 网谐 波 电压总 畸变超 出 国家标 准 4 , 3次 电压 谐波 尤为 严重 , 注入 系 统 的 2次 、 3次 、 5 次 、 7次 、 1 1 次 谐波 电流超 标 。 2 . 3 系统 谐 振 问题 煤矿 供 电 系统 为 中性 点 不接 地 系 统 , 变 电所 的 母线 上接 有 电磁 式 电压 互 感 器 T V 其 中性 点 接 地 。正 常运 行 时 , 电 磁式 T V 的励 磁 阻抗 很 大 , 而 且三相基 本平衡 , 中性点 的位移 电压很 小。但 在 某些操作 后或 在接 地故 障 消失之 后 , 电磁 式 T V 三相饱和程度差别很 大, 导致其与导线电容或其它 设备的杂散 电容间形成谐振 回路, 可能激发起各种 谐波 的谐振 过 电压 。这 种 由于 电磁 式 T V 铁 芯 电感 的磁饱和作用而激 发的持续的、 较高幅值 的过电压 就是铁磁谐振过电压 或称分频振过 。它是 中性点 不接地系统中最常见和造成事故最多的一种 内部过 电压 。 谐 振过 电压 的表现 单相 、 两 相或 三相对 地 电压 升高, 并伴有低频摆动 ; 由于谐振产生高值零序电压 分 量 , 出现“ 虚幻接 地” 现象 , 保 护发 出不 正确 的接 地 指示 ; 现 场检查 往往 发 现 , 接 在母线 的 电压互感 器 出 现过电流, 发出异常声音 。一旦发生谐振现象 , 就会 在 电 网某 一部 分造 成过 电压 , 危害 电气设 备绝 缘 , 以 致产生过电流而烧毁设备 , 或使电磁式 T V 铁芯严 重饱 和 , 造 成熔 断器 熔断或 烧毁 电压 互感 器 , 而 且还 会影响过电压保护装置的工作条件 , 造成保护误动。 2 . 4电气连接 部位 发 热 负荷大、 接触不 良、 螺栓松动、 电腐蚀等都能造 成连接 部 位发热 , 发 热部位 导致 结合 面加 速氧化 , 加 速氧化 又会 造成 进 一 步接 触 不 良 , 从 而 形成 恶 性 循 环 。如 果不 能及 时 发 现 和解 决 该 问题 , 会 导 致 导 体 烧 熔 、 断路甚 至短 路事 故 , 尤 其是 开关 柜 内的封 闭母 线和高处部位。 兴隆庄煤矿工作人员在近期的红外温度检测 中 发 现 了一些 高温点 , 特别 是 在 穿 墙 套 管 隔板 上 意 外 地 发现 了 由于涡流 而产 生高 温 的现象 。 2 . 5 电压 波动 范 围大 矿 井 供 电系 统 电压 波 动 较 大 也 是 一 个 主要 问 题 , 其主要表现 系统电压 1 d内变化值较大; 3 5 k V 变电所及地面供 电电压偏高 , 采煤面电压偏低 ; 东风 井架空线路空载时电压偏高 , 一旦带载压降较大; 大 负荷时电压太低 , 小负荷或检修时电压太高。 产生该 问题 的主要原因 1 兴隆庄煤矿供 电 系统负荷波动较大 , 生产时负荷特别集 中; 2 大型 设备有时同时启动 , 无功冲击较大; 3 系统供电线 路 太长 , 压 降较大 ; 4 系统 电压 受 电网 电压 和 电厂 并网负荷影 响较大 ; 5 下井 回路串接有 5 电抗 器 , 形成 一定 压 降 。 另 外 , 东 风井 架空线 路较 长 , 空载 时 由于容性 负 载的存在, 产生工频过电压 , 导致东风井变电所供电 系 统 电压 高于 3 5 k V 变 电所 供 电 系统 电压 , 一 旦 负 荷增大 , 线路的感性负载起主导作用, 导致线路压降 增 大 。 3解决 方法 3 . 1 继 电保 护整 定 困难 的 解决方 法 解决该问题必须对现有保护的配置方式和整定 值进行优化和修改 , 制定 出一套适合煤矿供电系统 1 2 8 工矿 自动化 2 0 0 9年 9月 的继电保护整定计算和配置方案 , 其总体思路如下 1 由于 下井 线 路 一 般装 设 电抗 器 , 短 路 电流 值从 电源至负荷方向在井上、 下有明显的差距, 有利 于速 断保 护动作 电流 的区分 , 因此 , 在下井 线路上 装 设三段式保护 , 在地面变电所和井下装设微机保护 的变 电所馈 出线 路上 也 尽 量装 设 三 段 式保 护 , 保 护 整定值和时限与相邻线路配合 。 2 自地 面变 电所到井 下变 电 所重新 设 置继 电 保护, 并优化整定动作电流 , 使之在符合继电保护大 原则 的基础 上 , 能 针 对煤 矿 井 下 电 网 的特殊 性 实 现 实用的保护设置与整定方法, 以达到以前无法满足 的纵 向选择 性 。 3 重新 整定 变压 器 保 护 的 复压 闭锁 值 , 按 变 压 器低压侧 末端 故 障 时 电压元 件 灵 敏 度来 整 定 ; 同 时 电流保 护 的 动 作 时 限 与 下井 线路 的 Ⅲ段 时 限 配 合 , 从时限和电压动作值这 2个方面来保证 变压器 后备保护的可靠性。考虑到保护的灵敏性和供电可 靠性, 最好退出复压闭锁, 仍使用现有的过流限时 速 断 的后备 保护 。 4 讨论 采 区反时 限过 电流保 护 的整定 配合 原 则 , 在井 下 中 央 变 电所 或 井 下 主 要 采 区 变 电 所 与 下 一级 采 区 变 电 所 之 间 找 出 一个 最 优 整 定 值 结 合 点 , 往上 以大 电流小 时限为 主 , 往 下 以小 电流大 时 限 为 主 , 争取 实现 既能 满 足 大负 荷 频 繁长 时 间 启动 的 需 要 , 又 能在采 区线 路故 障时 , 保 护动作 也可有 较高 的选择性 。 5 优 化线 路 配 置 总 体 方 案 。根据 前 面 分 析 , 考虑到煤矿供电系统的特点 , 以及井下供 电网络发 生短路故障的几率远高于地面 6 k V架空线路等, 优化总体的线路保护系统方案, 既要限制井下发生 短 路时 大电流 对上 级 变 电所 主 变 的 冲击 , 又 要兼 顾 井 上 、 下 过流保 护动 作值 的配合 , 还要考 虑全线 电压 损 失和保 护 系统 的可 靠性 、 选择性 等要 求 。 3 . 2 谐 波 污染加 重的 解决方 法 解决 该 问题可 采 用 无 功动 态 补偿 S VC 技 术 , 同时完成无功补偿和谐波吸收功能; 也可根据谐波 情况单独设计安装不同次数 的滤波装置 ; 最好是从 源 头上减 少谐 波 的产 生量 , 选 择 谐 波 产生 量 少 或装 有 滤波装 置 的电器设 备 。 3 . 3 系统谐 振 问题 的解 决方 法 铁 磁谐 振 对 系统 的 安全 运行 威 胁极 大 , 是 导致 高压熔丝熔断和电磁式 TV烧损爆炸的重要 原因。 在 中性点 不接 地系统 中, 可采用 以下解决 方法 1 自动调谐补偿装置 供 电系统 中性点接人 参数适合的消弧线圈、 T V 中性点经消谐器接地 以 解决 系统谐 振 问题 。 自动调谐补 偿装 置能够 实现全 补偿运行或使消弧线 圈的脱谐度变小 , 原 因是在消 弧线圈的一次回路中串人了大功率 的阻尼电阻, 增 大了阻尼率 , 降低了中性点谐振过电压的幅值 , 使之 达到相电压 的 5 ~1 0 , 当系统的 电容电流与消 弧线 圈工作 电流 相等 时 , 即在谐 振 时 中性 点 电压 限 制在允许值 以下 , 这样就实现 了全补偿 , 这是残 流 最小 的最佳 工作 方 式 。接地 时残流 很 小 , 不会 引起 弧光过 电压 。 2 消弧 线 圈 在 供 电系 统 的 中性 点 上 接 入 消 弧线 圈 , 破 坏其谐 振条件 , 能够 有效抑 制谐振 过 电压 的发 生 。TV 的励 磁 感 抗 比较 大 千 欧 至 兆 欧 级 , 而 消弧线 圈的感 抗 百 欧级 比较 小 , 这样 谐 振 条 件 w L一1 / w C很 难 满 足 , 谐 振 就 不会 发 生 。 中性点 接 入消 弧线 圈方式 对于 由 TV铁 芯饱和 引起 的铁 磁谐 振过 电压有很好的限制作用。 3 消谐器 消谐器是一种特别 配置 的非线性 复合电阻, 串接在 TV一次侧中性点回路, 其接人相 当于在 T V 一次 侧 各相 对 地 都接 入 电 阻 , 能够 起 到 抑制 TV过 电压 、 过 电流 、 阻尼 和抑制谐 波 的作用 。 4 T V 开 口三 角 绕 组 接 电阻 由于 电 阻 接 在 开 口三 角绕组两 端 , 必 然导致 一次侧 电流 增大 , 也 就 是 说 T V 的容 量 要 相 应 增 大 。从 抑 制 谐 波 方 面 考 虑 , 电 阻值 越小 , 效 果 越显 著 , 但 T V 的过 载现 象 越 严 重 , 在谐 振或 单相 接 地 时 间过 长 时甚 至 会导 致 保 险丝熔 断 或 TV 烧 毁 。一 般来 说 , 接入 1 0 k V TV 开 口三 角绕组 的 电阻值 取 1 6 . 5 ~3 3 Q。 5 其它抑制谐振过 电压的措施 选用励磁特 性 好 、 不 易饱和 的 TV; 在 满足 系统 运行 要 求 的情 况 下 , 采用 防谐振 式 T V; 在 T V 开 口三 角绕 组 接灯 泡 或 接人 晶闸管 消谐装 置 , 增加 阻尼 , 破坏谐 振条件 。 在 实际运行 中 , TV 开 口三角绕组 接 电阻或 T V 开 口三 角绕组 接分频 消谐装 置等 方法都不 能有 效避 免 谐振 的 发 生及 保 险 丝 熔 断 。在 发 生 谐 振 或 线 路 单相接地时 , T V一次侧 电流显著增 大及 因本身元 件故障而失去 消谐作用 , 是上 述 2种 方法 的主要 缺 陷 。 采 用在 T V 中性 点 加 装 消谐 器 的方 法 , 在 线 路 单 相接地 时能 够使 T V 各相绕 组 电压 均能 保持在 正 常相电压附近而不会饱和 , 从而很好地抑制铁磁谐 振 , 降低电压互感器一次侧电流, 同时保持 了接地指 示装置对零序电压幅值和相位的灵敏度, 其优点较 为突 出。 2 0 0 9年第 9期 吴文明等 浅谈煤矿供 电系统存在的问题及解决方法 1 2 9 3 . 4 电气连接 部分发 热 问题 的解 决方 法 兴隆庄煤矿 目前解决该 问题的方法是使用手持 式红外线热成像仪, 值班人员定期测试温度 , 可测试 并显示 电力设备各处的发热情况及温度 。 另外一 种解决 办法 是采 用一 种无线 测温 预警 系 统 。该 系统 的温度 检测 技术 采用 国际 上正在 兴起 的 有源 R F I D 无线射频识别 技术和 P N数字温度传 感技术 , 独创设计的低功耗 、 接触式 、 主动型测温产 品, 能克服电力运行环境 下高 电压、 大 电流、 强电磁 干扰 、 感 温元 件 安 装 困 难 等 技 术 难 题 , 同时 避 免 了 任何线路 包括光纤 连接传感器会改变电气爬 电距 离 的缺 点 , 能 够及 时 、 准 确 、 全 天 候地 监 测 高 压 电气 设备 、 特 别是 各种 接头处 的过 热隐患 。 3 . 5 电压 波动 范围 大的解 决方 法 1 增大 电缆 截面 。 2 合理选择设备容量 , 提高负荷率 和功率 因 数 , 减少无功损耗 , 从而减少线路压降。 3 采用无功动态补偿 S V C 技术, 动态补偿 系统无功功率 , 使系统 电压相对稳定 。 4 取消下井 串联电抗器 , 在线路通过 3 0 0 A 电流时可 以减少 约 1 5 0 V 的 电压 降 。但是 去掉 电抗 器后 , 当井下 出现短路故 障时, 短路 电流将增 大约 3 0 , 各级保护的配合会更加困难 , 保护的准确性将 下降, 越级跳闸的范围和概率将增大 。另外 , 井下出 现短路故障时 , 地面 6 k V母线的电压会很低 , 将影 响地 面设备 的正 常运行 , 严重 的会 导致 接触器 释放 , 造成 停 机 。 5 保 留下井 串联 电抗 器, 但 在 串联 电抗 器 两端并联 1台交流快速开关装置 。该快速开关装置 将可控制的载流桥体 、 限流熔断器和高能 氧化锌阀 片并联使用 , 正常情况下将串联电抗器旁路 , 当发生 短路故障时, 快速开关装置的检测 系统对 电流变化 率 d i / d t 进行判断并控制快速开头装 置断开 , 具体 动作定值可以根据现场实际确定。 4 结语 煤 矿供 电系统是一个非常复杂的系统 , 其运行 环境恶劣 , 大功率 、 大容量设备及 电力 电子设备较 多, 对电网运行性能的要求较高, 且对电网供电质量 产生一 定 的影 响 。文 中提 出的煤矿 供 电系统存 在 的 问题和解决办法都是结合兖矿集团兴隆庄煤矿电力 系统的实际情况而得出的, 应用效果较好 , 对其它煤 矿解决 电力系统故障、 保障电力系统安全运行具有 一 定 的指导 意义 。 参 考 文献 E l i 孟 繁宏 , 李学 山 , 张 占胜 . 1 0 k V 电力系统 谐振 过 电压 的原因及抑制措 施E J 3 . 电气化铁道 , 2 0 0 5 3 2 4 2 7 . [ 2 ] 徐 亮. 对 中低 压 电 网过 电压 限 制 的方 法 E J 3 . 电气 时代 , 2 0 0 0 8 3 3 3 5 . [ 3 3 王其军 . 煤矿供 电系统装设 消弧 线圈 的研究 I- J - I . 工矿 自动化 , 2 0 0 2 4 . 中国矿业大学百年华诞 一第六届国际矿业科学与技术大会暨 煤炭 采矿技术设备展览会会讯 由中国矿业大学主办 、 国家 自然科学基金委员会和 中国煤炭学会 协办 的 中国矿业大学 百年校 庆一第 六届 国际矿业科 学 与技术大会 暨煤炭采矿技术设备展览会 I C MS T 2 0 0 9 将 于 2 0 0 9年 1 O月 1 8 ~2 0 15 1 在江苏省徐州市中 国矿业大学 南 湖校 园 隆重举行 。 国际矿业科学与技术大会每 5 年举行 1 次 , 会议 围绕现代矿山开采与安全 、 矿 山岩土力学与地下工程 、 煤炭加工转化与资 源综合利用 矿业材料 、 矿 山地质与测绘科学 、 矿山装备 与数 字化 、 矿 山环境保 护与节能减 排、 能源战略及 其可持续发展 等重 要议题进行学术讨论及相关 设备展览展示 。 第六届国际矿业科学 与技术 大会 暨煤 炭采矿技术设 备展览会 作 为中 国矿业 大学 百年校 庆的专题学 术活 动之一 , 由学术 论文发表和行业展览 2 个部分组成 。届 时, 将有来 自国 内外矿业界的政府官员 、 行业领袖 、 专 家学者等进 行发言 , 就矿业行业 发展趋势 、 矿业与资本市场 、 国内外投 资机会 、 矿业与可持续发展 、 矿产 品专题 、 地质 勘查 、 矿业技术 与设备等议 题进行深入研 讨 ; 行业展览将有来 自世界主要矿业 国的 国家展团 以及 各国的矿业 公 司、 投资 机构 、 评估 咨询公 司、 技术 服务 公司 、 设备公 司 等展商参展 , 旨在通过对公 司的个性展示 , 促进勘探 、 开发 、 投资 、 设 备技术等多领域 的合作 , 为 国内外矿业企业 在中 国及 国际 市场中的相互合作提供 良好 的平 台和渠道 , 并为搭 建商务网络和拓展业务合作创造 良好机会 。 大会组委会 地址 北京市石景山区京原路 7号骅悦 隆大厦 1 1 1 8室邮编 1 0 0 0 4 3 电话 0 1 0 5 1 7 1 9 7 5 1 , 6 8 6 3 5 4 0 9 传真 O 1 0 6 8 6 3 1 3 6 8 联 系 人 巩乐 1 3 6 9 1 1 7 0 4 5 0 E - ma i l h ml l i b i n 1 6 3 . c o rn