矿井供电安全性的研究与应用.pdf

4 2 科技资讯 科技资讯 S C I E N C E T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 2 0 0 8 N O . 0 9 S C I E N C E T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 工 业 技 术 1 问题的提出 煤矿供电系统包括电源、配电网络和 用电设备。煤矿供电设计的安全性涉及导 体、开关、变压器、继电保护、防雷接地 和通信等诸多方面，其中容易忽略的一点 是在确定电源点和矿井配电系统时，对运 行方式的选择。选定合理的供电电源，是 保证矿井供电安全的设计基础。笔者在实 际工作中，发现一些同志对供电的安全性 考虑不周，主要表现为选择电源点时，仅 满足于就近解决的原则，对所选的电源点 资料收集不够，了解不深；在矿井配电系 统设计中，矿井变电所还在采用两台变压 器“一用一备”的运行方式，导致矿井供 电的安全性降低。由于电源点的选定和矿 井变电所运行方式决定着变压器台数和电 气主接线方式，影响到矿井供电的安全性 和矿井建设的投资、运营成本，因此，应 该深入探讨。 2 供电电源的确定 矿井两回供电电源的引入有两种方式 第一种引自域外供电网络同一电源变电所的 不同母线段，第二种方式引自域外供电网络 不同的电源变电所。由于矿井常常处于供电 网络的末端，所以设计中经常采用第一种方 式。在供电系统说明书中，一些同志只描述 电源变电所的地理位置、主变容量、距矿井 变电所的距离，依据矿井的计算负荷校验， 就得出电源可以满足矿井供电要求的结论。 这种论证方式的缺陷在于缺少对电源点的现 状加以评价该电源点已经带有多少负荷 线路、变压器还有多少富裕供电能力 该电源 变电所有无出线间隔和出线走廊 若电力部门 承诺扩建， 随着本项目的建设， 该电源变电所 扩容的时问和速度能否与矿井建设同步 该电 源变电所采取何种运行方式 只有回答了这些 问题, 才能对电源点的可靠性得出准确结论。 例如, 某矿井两回电源采用 3 5 k V 电压等级引 至地方 1 l ～3 5 k V 变电站。由于 1 1 0 ／3 5 k V 变 电站主变压器供电能力不足，电力部门承诺 增加一台变压器， 与原主变压器并列运行。 粗 看起来，1 1 0 ／3 5 k V 变电站改造后可以满足矿 井供电的需求。其实, 1 1 0 ／3 5 k V 变电站所采 用的运行方式决定了该电源点只满足了矿井 用电负荷这一个条件， 而不能满足 “矿井应有 两回路电源线路” 的供电要求。因为 1 l ～ 3 5 k V 变电站新增变压器与原主变压器采用并 列运行方式，其二次侧 3 5 k V 侧 只能为单母 线运行。矿井的两回电源线都接在了 3 5 k V 一 矿井供电安全性的研究与应用 母万友 贵州水城矿业 集团 有限责任公司汪家寨煤矿 贵州六盘水 5 5 3 0 0 9 摘 要 电源变电所的运行方式关系到矿井供电的安全性。针对分列运行母线是由一个电源变电所引出两回电源的必要条件，提出矿 井变电所只能采取分列运行的方式。并根据两部电价的管理制度，推荐了一种减少供电贴费的解决方案。 关键词安全性 双电源 分列运行 变压器 中图分类号Ｔ Ｍ ７ ３ ２ 文献标识码A 文章编号1 6 7 2 - 3 7 9 1 2 0 0 8 0 3 c - 0 0 4 2 - 0 2 个运行母线上，当发生故障时，母线一旦失 电， 矿井两回线路会同时断电。 该电源变电所 只能作为一个电源点对待，矿井的另一回电 源， 只好引自系统的另一变电所。 只有电源变 电所两段母线分列运行时，接于两段母线的 馈电线路才能构成两回路电源，这是由一个 电源变电所引出两回电源的必要条件。可见， 电源变电所的运行方式，也影响到矿井供电 电源点的确定。 3 矿井变电所的运行 随着煤炭工业现代化的发展，矿井机 械化、自动化程度的不断提高，矿井负荷 增加引起了矿井变电所的容量增大。矿井 变电所的电源电压常采用 3 5 k V或 1 1 0 k V ， 造成矿井变电所与地方电力公司的供电网 络同网运行，使相互问的调度联络更紧 密、继电保护要求更高，矿井变电所常常 需要服从域外供电网络安全运行的要求。 在这种情况下，对于矿井变电所的运行方 式更需要注意。矿井变电所有两台变压器 分列运行和两台变压器一用一备运行这样 两种方式。主张矿井变电所两台主变压器 “一用一备”运行方式的同志认为对域外 电力系统来说，矿井是用电户，从电源线 路进线开关往后，都是负载，只要两回电 源线路一回工作 一台主变投入 ，另一回 带电备用 另一台主变不投入 ，就可以满 足矿井供电的要求，还节约了供电贴费。 这种观点从供电部门和用户角度看，似乎 有道理。其实，是把矿井用电的管理权与 矿井变电所属性混淆了。矿井配电网络并 不仅仅限于一个变电所，而是由地面、井 下多个变电所组成。在“一用一备”运行 方式中，矿井变电所的二次母线只能处在 单母线运行方式。矿井范围内的全部用电 设备都处在一个运行母线上，形成一个电 源两回线路的工作模式。其后果是把矿井 一级负荷的供电方式都按二级负荷供电方 式对待，以牺牲供电安全性为代价换取减 少供电贴费，这样做，并不可取。 矿井变电所由开关、变压器、母线及 保护设备构成。无论归属和管理权限如 何，其属性仍属配电网络，不是用电负荷。 城市电力系统的术语定义城市供电电源 为城市提供电能来源的发电厂和接受 市域外电力系统电能的电源变电所总称； 城市变电所城网中起变换电压，并起 集中电力和分配电力作用的供电设施。由 此可以得出矿井变电所是矿井的供电设 施，是把电源与矿井用电设备 负荷 联系起 来的环节。没有这个环节，矿井用电设备 负荷 就得不到电能。从这个意义上讲，矿 井变电所也可看作是矿井用电负荷的电源。 既然如此，那么，矿井变电所的运行方 式就应满足矿井用电负荷对电源的要求。与 矿井供电类似，地铁供电的中压网络电压等 级有 3 5 k V 、2 0 k V 、l ０k V 。地铁供电系 统应包括外部电源、主变电所 或电源开闭 所、牵引供电系统、动力照明供电系统、 电力监控系统。一级负荷应由双电源双回线 路供电，当一个电源发生故障时，另一个电 源不应同时受到损坏。供电系统中的各种变 电所均应有两个电源，每个进线电源的容量 应满足变电所全部一、二级负荷的要求，这 两个电源可以来自不同变电所，也可来自同 一变电所的不同母线。地铁供电对双路电源 的要求是双路电源应分列运行。地铁变配 电系统降压变电所，正常两台变压器分列运 行。地铁供电设计之所以做这些规定和要求， 主要是因为地铁用电负荷中有一级负荷的原 故。矿井也有一级负荷，主要包括主要通风 机；井下主排水设备 包括作主排水的煤水 泵 、下山开采的采区排水没备；升降人员的 立井提升机；抽放瓦斯设备 包括井下移动抽 放泵站设备 。一级负荷的供电要求对不同行 业来说， 都是一致的。 确保矿井供电设计的安 全性， 很重要的一点， 就是要满足矿井一级负 荷对供电电源的要求应有双电源双回线路 供电。 要满足这个条件， 作为矿井配电网络的 矿井变电所只能采用分列运行这一种方式。 只有这种方式，才能实现二次母线为分列运 行母线，接于两段母线的矿井一级负荷才会 有两个供电电源，也才能做到一级负荷的两 回电源线路一回路运行另一回路带电备用。 4 主变压器台数的选择 矿井供电负荷中，主要为一、二级负 荷，三级负荷所占比例很小。所以矿井变 电所都是按两回路电源一回路故障，另一 回路可负担矿井全部负荷来设计。矿井变 电所主变压器容量不单要满足矿井全部负 荷的需要，而且运行方式也要满足一级负荷 对双电源的要求。矿井变电所主接线就有设 两台主变压器或设三台主变压器两种方案。 采用两台主变压器方案时，在正常情况下两 台变压器分列运行，每台变压器带5 0 ％负荷。 变压器二次侧为分列运行母线。当一回电源 线路故障或一台变压器故障时，另一台变压 下转 4 4 页 4 4 科技资讯 科技资讯 S C I E N C E T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 2 0 0 8 N O . 0 9 S C I E N C E T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 工 业 技 术 矿方法和工艺、合理布置开采工作面、覆岩 离层带空间充填等措施， 来减少地表塌陷， 控 制地表下沉速度和范围，达到保护地表和地 面建、 构筑物与耕地的目的；二是对地表塌陷 区进行综合治理，运用土地复垦技术和建筑 物抗采动变形技术，对开采沉陷破坏的土地 进行整治和综合利用。 5 . 1 地表塌陷预防技术 5 . 1 . 1全部充填开采 在煤炭采出后顶板尚未冒落之前，用 固体材料对采空区进行密实充填，使顶板 岩层仅产生少量下沉，以减少地表的下沉 和变形，达到保护地表建、构筑物与农田 的目的。其中水沙充填是充填采煤法中减 少地表下沉效果较好的方法。其次是风力 充填和矸石自溜充填，这不仅需要充填设 备和设施，还需要有充足的充填材料，矿 井初期投资大，吨煤成本相应的增加。 5 . 1 . 2条带开采 根据煤层和上覆岩层组合条件，按一 定的采留比，在被开采的煤层中采出一 条，保留一条。由于条带开采仅是部分采 出，部分煤炭以煤柱形式支撑上覆岩层， 从而减少覆岩移动，控制地表的移动和变 形，实现对地面建、构筑物的保护。但该 方法采出工作面窄，效率低，同时造成部 分资源浪费。 5 . 1 . 3覆岩离层带充填 根据采空区上方覆岩移动形成三带的 岩移特性，在煤炭采出后一定时间间隔 内，用钻孔往离层带空间高压注浆、充填 砌体，加固为稳定性较好的连续梁结构， 使离层带的下沉空间不再向地表传递，以 减少或减缓地表下沉，保护地面建、构筑 物，但该方法技术难度大，需再近一步研 究。 5 . 1 . 4限厚开采 根据矿区地形、水文地质条件和建、 构筑物抗变形能力，以不产生地表积水和 满足建筑物所要求的保护等级为依据，确 定可采一定厚度的煤，其余各煤层均不开 采，以实现减少下沉，保护地面建、构筑 物及土地的目的。但该技术采出率低，浪 费资源。 5 . 1 . 5协调开采 厚煤层分层开采时，合理设计各工作 面的开采间距，相互位置与开采顺序，使 开采一个煤层 工作面 所产生的地表变形 相互抵消或抵消一部分，以减少采动引起 的地表变形，保护地面建、构筑物和土地。 但该技术要保持一定的开采层面，难度较 大。我国尚未开展这种工业性实验。 5 . 1 . 6 “采注采”三步法开采 充分利用覆岩结构对岩层移动的控制 作用，应用荷载置换的原理，采用小条带 开采注浆充填固结采空区剩余条 带开采方式，实现对岩层移动和地表沉陷 的控制，解决了大面积开采地表沉陷，提 高了煤炭的回采率，保护了地面建、构筑 物和土地。 5 . 2地表塌陷土地复垦技术 5 . 2 . 1煤矸石充填复垦和粉煤灰充填 复垦 1 地下开采产生的大量煤矸石送到地 表排放，既占用土地又污染环境， 利用煤矸石作为充填材料，即可使采 煤破坏的土地得以恢复使用功能，又减少 了占地额。 2 利用电厂的废弃物粉煤灰充填 沉陷区，复垦土地，可以化两害沉陷区、 粉煤灰 为三利 电厂、煤矿、农民三方面 5 . 2 . 2平地和修建梯田复垦 对积水沉陷区、潜水位较低的边坡地 带，可采取平整土地、改造成梯田的方法 复垦利用。梯田的水平宽度和梯坎高度， 应根据土壤薄厚、工程量大小、作物种类、 耕种机械化程度综合考虑确定，田间坡度 的大小和坡向，应根据原始坡度的大小、 有无灌溉设施决定。 5 . 2 . 3输排法复垦 开挖排水渠道，将沉陷区浅积水引入 附近的河流、湖泊、坑塘、水库等，作为 蓄水利用，使沉陷水淹地重新得到耕种。 5 . 2 . 4深挖垫浅复垦 运用人工或机械方法，将局部积水或 季节性积水沉陷区下沉区域挖深，进行养 鱼、蓄水灌溉等，用挖出的泥土充填开采 沉陷区作为可种植的耕地。 5 . 2 . 5积水区综合利用技术 对地表大面积积水和积水深度很大的 沉陷区，进行综合的科学利用，发展网箱 养鱼、围栏养鱼、蓄洪作灌溉水源、建造 水上公园等。 5 . 2 . 6固体微生物复垦技术 煤矸石添加适量微生物活化剂，填充 到采煤塌陷区，经过一个植物生长期 约 6 个月就可建立起稳固的植物生长层，形 成熟化的土壤。 6 结语 采煤塌陷是造成矿区环境地质灾害的 直接原因，其对土地资源的影响和破坏是 难以避免的，在煤碳开采建设项目环境影 响评价工作中，对采煤塌陷可能造成的环 境影响做出科学合理的评价，提出有效控 制和减轻地面沉陷的技术措施，是预防和 避免开采沉陷环境灾害的重要手段。 器立刻带全部负荷运行，此时矿井暂时处于 单电源供电状态，故障排除后再恢复分列运 行。在整个切换过程中，对负荷来说不会出 现两回电源同时中断的现象。这种方案的优 点是占地小，使用断路器少，接线简单，操 作方便，提升了矿井供电的安全性和可靠度 矿井二级负荷也按一级负荷的双电源要求供 电了 。缺点是正常运行时，变压器负载率 低，增加了供电贴费，加大了运行费用。采 用三台变压器方案时，在正常情况下，两台 变压器以较高的负载率分列运行，第三台变 压器备用。当一回电源线路故障或一台变压 器故障时，投入第三台变压器。此前，有 一台变压器仍在带电运行。第三台变压器的 投入有两种职能一回电源发生故障时，可 确保矿井全部负荷供电，此时矿井暂时处于 单电源工作状态；一台变压器发生故障时， 可确保矿井双电源供电。三台变压器这种运 行方式与两台变压器“一用一备”运行的区 别在于，前者确保了矿井一级负荷的两回电 源不会同时中断，满足了一级负荷的供电要 求。后者却做不到这一点。三台变压器这种 运行方案的优点是变压器负载率高，减少了 供电贴费；缺点是占地面积比前一个方案 大，接线和倒闸操作较复杂，为了避免正在 运行的变压器过载，在切换操作过程中要中 断一部分二级负荷的供电。上述两种分列运 行方案都满足矿井供电的安全性要求，但从 国内两部电价管理体制的实际出发，推荐大 型矿井主变电所采用双母线接线的三变压器 方 案 。 5 结语 电源变电所两段母线分列运行时，接 于两段母线的馈电线路才能构成两回路电 源，这是由一个电源变电所引出两回电源 的必要条件。在对所选电源的可靠性论证 时。除了注意电源容量和环境距离外，还 应注意电源变电所的运行方式。矿井变电 所是联系电源与用电设备的环节。属于矿 井供电的配电网络，可看作是矿井负荷的 电源。矿井供电安全的重要一点，是应该 满足一级负荷对两个电源的供电要求。因 此，矿井变电所只能采用分列运行方式。矿 井变电所主变压器台数的选择，有两变压 器和三变压器两种分列运行方案。在目前 两部电价管理体制的情况下，大型矿井推 荐采用双母线接线的三变压器方案，是保 证矿井供电安全、减少供电贴费的好办法。 上接 4 2 页