谈煤矿供电系统现状与智能供电系统的建设.pdf

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１３Ｍａｙ２０２０现代矿业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第６１３期２０２０年５月第５期刘建珍（１９８０），男，工程师，０３００２４山西省太原市。谈煤矿供电系统现状与智能供电系统的建设刘建珍（山西焦煤西山煤电（集团）公司杜儿坪煤矿）摘要为了解决当前煤矿供电系统中存在的电能质量、越级跳闸、电力监控无法满足无人值守要求等问题，提出引入链式静止无补偿装置ＳＶＧ、智能供电系统等新装备新技术，通过新设备、新技术的应用，特别是智能供电系统的应用，可有效解决当前煤矿供电存在的问题，更好地保证矿井安全生产。关键词煤矿智能化供电系统无人值守ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４  ６０８２．２０２０．０５．０５３随着现代化矿井的加速建设，机械化、自动化、信息化水平的逐步提高，煤矿大功率设备、变频器等电力功率器件及装置的应用，使煤矿的供电网络规模越来越大，运行环境日益复杂。这些在给矿井带来节能和高效的同时，也给供电网络带来新问题，如大功率设备对电网的冲击，末端压降大，非线性负载产生的谐波对电网的污染等。此外，目前的煤矿供电仍存在越级跳闸、整定困难、无人值守系统不完善的问题，这些因素时刻冲击着煤矿供电可靠性，同时也未受到煤矿企业的足够重视。１煤矿供电系统存在的主要问题１．１无功问题由于煤矿生产的特殊性，大容量的异步电机和变压器所消耗的无功功率占有很高的比例，其运行的功率因数较低，普遍在０．５～０．６间，无功功率的增加导致设备容量和导线容量增加，能耗增加，压降增大。１．２谐波问题随着科技的发展，大容量变频设备、铁磁设备及电力电子设备投运越来越多，谐波问题也日益突出，使得设备寿命缩短，保护误动作，测量仪表不准确，对通信系统产生干扰，大大增加了供电系统谐振的可能。１．３电压问题由于煤矿生产的需要，供电线路较长，大功率设备启动瞬间产生较大的电流，使线路电压降增大，设备启动困难，同时可能导致保护失效，形成安全隐患，影响生产。１．４越级跳闸问题近几年来，各煤矿均对各自的供电系统进行了不同程度的数字化或自动化改造，但由于各厂家技术水平参差不齐，国家或煤炭相关部门无统一标准，加之煤炭企业自身技术力量薄弱，对技术先进与否辨识不清，导致电力监控系统存在漏洞隐患，主要存在以下问题。（１）电力监控系统改造时选用的高开保护器通讯协议不开放，不具备防越级跳闸功能，仅是简单的模拟量采集，远程控制等功能。（２）选用的防越级跳闸系统，由监控分站或地面主机进行数据进行分析运算，下达指令，当网络故障时，防越级跳闸系统失效。（３）选用的保护器具备防越级跳闸功能，但防越级跳闸率达不到１００％，系统有保护死区，实用性差。（４）漏电保护动作不准确，问题查找困难，且不能按煤安规程的规定进行漏电试验［１］。１．５无人值守有隐患目前各矿应用的无人值守系统，是在使用多年老旧设备的基础上改造而成，从安全角度出发，在实现无人值守方面设备本身缺少相应的功能。一是变电所高压开关的断路器手车为就地人工手摇式，没有电动底盘结构可进行远方操作，所以井下高压开关的的动、静触头不能远方控制形成明显的断点，下级设备检修时，必须人工就地操作摇出断路器手车，才能形成明显的断点，才符合电力操作规程，才能保证下级检修人员的安全。当一次设备合闸后，远方没用图象或视频确认合闸到位情况，也没有开关主要部位的温度、分合闸动作时间等相关数据的采集，只有当高压开关发生故障跳闸或发生异常停电事故时，才去查找故障原因，组织抢修。二是煤矿企业的供电系统线路级数多，线路距离短，负荷变化大，加之供电线路按电压等级归属不同７７１单位分管，在继电保护整定方面算法不一，断电保护定值配合不当，经常造成开关拒动、误动、越级跳闸等问题，甚至造成大面积停电。所以当前的无人值守系统没有解决煤矿供电断电保护整定问题，且发生大面积停电后，不能准确判断停电故障，不能给出快速恢复送电的方案，存在安全隐患。三是当前的煤矿供电无人值守系统采集的数据不准确、不全面。如电流、功率电度测量数据错误，电度计量不准，无电网谐波监测，不能实时掌握电网的运行情况，不能有效地进行能效管理。此外二次设备和网络状态不明，主要是二次设备虚接、断路等故障查找困难，网络异常、复归信号频繁告警，网络负荷情况不明等。２解决方案２．１建设井上下供电监测系统针对目前煤矿主要的供电系统，拟建设井上下供电系统电能质量监测系统，采用电能质量在线监测终端，对煤矿井上、下变电所及综采工作面负荷中心配电点的电能质量情况进行全天候实时监测，分析电能质量问题的基本特征。由此可实时掌握整个供电系统运行情况，监测支路谐波含量、功率因素、供电线路首末端压降，对大型电机起动过程进行录波分析，为煤矿调整配电系统供电方式提供可靠的数据支撑，确保煤矿供电系统经济可靠运行。对于计划改造的供电系统，其综合保护器应选用具有电压、电流、功率、谐波、电能质量、电度计量等数据采集功能。对于已改造的供电系统，其应增加电能质量监测装置，并与电力监控系统组态运行，以减少设备投入。２．２应用新装备解决无功和谐波问题针对供电线路距离远，功率大，末端压降大，线损大，功率因数低，供电可靠性及供电质量差等问题，随着井下电网无功补偿技术的迅速发展，有的煤矿以综采和掘进面为单元投运了具有补偿和滤波双重作用的ＳＶＧ静止型动态无功补偿装置［２］，进行就地补偿，有效提高了末端起动电压，降低了起动电流，提高了功率因数，大大改善了供电系统的供电质量，同时利用网络控制技术，将分立的ＳＶＧ装置系统集成，进行电压无功综合控制，实现了供电质量的智能化控制，为今后煤矿的精细化及节能减排工作起到了积极作用。２．３煤矿供电问题的必然方向随着工业化和信息化的融合深入，智慧矿山的建设，更多企业致力于煤矿智能供电的研究，目前已经成功的解决了煤矿供电越级跳闸问题、漏电保护问题、相关测量数据不准确问题等等，甚至有的先进技术则实现了煤矿供电智能运维功能，为煤矿的安全生产起到了保驾护航的作用。２．４应以ＩＥＣ６１８５０为标准国内电力自动化领域经过近３０ａ的发展，引入了ＩＥＣ国际标准，以推动智能化电网的建设，目的是提高输、配电网的运行可靠性，代表着电力系统自动化领域发展的必然趋势。ＩＥＣ６１８５０［６］的核心思想是利用自描述技术实现设备这间的“ 相互定义、相互通讯、相互操作” ，并确保不同厂家的设备和系统保持通讯规约的一致性，使输、配电网智能化，基于１００Ｍ／１０００Ｍ高速以太网的直接接入，真实地实现了煤矿地面、井下一体化供电监控系统的实时“ 监测与控制” 。无带宽瓶颈、无规约瓶颈是煤矿供电系统智能化的前提和基础。２．３．２解决继电保护整定和越级跳闸问题煤矿企业解决越级跳闸和漏电保护问题都是单一的从继电保护整定或防越级跳闸系统入手，其效果均不理想。一是继电保护整定计算，目前较为先进的整定计算是使用供电整定计算软件，技术人员只需根据本矿供电的实际情况绘制好地面及井下供电系统图，并标注好已知参数，然后各项供电计算、电缆与开关选型等就能一键完成，再一键式进行短路电流计算与开关整定保护定值计算（系统自动将计算结果标注在图上），最后系统一键式生成详细的全矿供电设计报告。该方法在便利上和规范上较好，但是因煤矿供电的特殊性，其整定结果局部不符合现场实际，需要人工进行修改的地方较多，此外，整定值需要各技术人员就地更改，更有现场作业人员私自放大整定，管理上存在弊端。二是采用先进防越级跳闸系统，利用ＩＥＣ６１８５０的ＧＯＯＳＥ技术使系统，在故障或操作瞬间，对所有相关设备进行高速信息交互并结合网络拓扑情况进行快速动作决策，采用“ 先定位后跳闸［４］” 策略实现短路故障和系统操作时，在满足快速在３０ｍｓ以下的前提下切除故障，从而避免越级跳闸事件的发生。防越级跳闸保护范围应全面，可实现进线及母线的防越级。通讯异常时，系统应具有自动拓扑识别功能，能通过系统自身判断供电运行方式，自动识别各间隔的保护关联关系，自动隔离成小防越级系统，确保防越级功能的有效性，不依赖于地面主机［３］。该系统可一定程度上可防止高压供电越级跳闸，但是在低压供电系统因设备分散，继电保护整定上下级配合问题，低压越级跳闸问题也较多。针对以上２方面，为解决继电保护整定和越级跳闸问题，煤炭企业主管部门或煤炭企业自身，应针对煤矿企业供电的特点，进行资源和技术整合，把供电８７１总第６１３期现代矿业２０２０年５月第５期系统继电保护智能整定技术、供电监控系统、防越级跳闸系统技术进行融合，或利用物联网技术，形成供电系统一张图，一个系统，同时采用授权管理、反违章智能识别等先进技术，保证煤矿供电系统继电保护整定的灵敏性、快速性、可靠性、选择性，杜绝供电系统越级跳闸，杜绝管理漏洞，保证煤矿供电的安全。此外，煤矿行业主管部门应把防越级跳闸系统，列入煤矿安全质量标准化、安全高效矿井、数字化矿井建设的重要内容，从而积极引导、推动煤矿供电系统向本质安全发展。２．３．３智能供电可视化智能供电应必须解决供电系统、一、二次设备运行状态的监视与异常预警，实现无人值守。（１）系统运行状态可视化，供电系统相关设备的电压、电流、功率电能质量、电度计量等相应数据采集准确并在后台和各终端显示。（２）一次设备运行状态可视化，主要包括高压开关的断路器手车选用电动手车，可实现远控，开关主要部位的绝缘状态、温度，分合闸状态和动作时间，累积分断容量等。（３）二次设备和网络的状态可视化，主要包括保护装置的自检情况，网络通讯状态，交换机及电源的状态等。（４）系统故障的可视化，即在系统发生故障后提供清晰完整的记录和数据，如故障类型、时间、故障值、相关波形等，从而便于检修人员尽快确定并排除故障。（５）视频联动［５］，即在开关操作、系统故障等情况下，视频信息自动实时切换到特定关注画面。（６）短信告警功能，即将故障、告警等事件，通过短信的方式发送至相应管理人员手机，保证信息及时有效传达。２．３．４智能运维功能智能供电应强化设备的远程控制与维护，可进行设备检测、定值的合理性校验、参数的自动化配置，智能综合告警等高级智能化功能，保证设备在故障发生前进行维护，而非在事故发生后的应急处理。（１）远程控制。在地面监控中心实现井下开关遥控操作、保护功能投退、定值的远方调阅和修改、参数的远程配置。（２）在线调试。防越级跳闸系统在线自动测试工具，针对井下试验不便的情况，可在不停电情况下检测系统功能投退、定值、通讯状态等是否正常。测试过程不影响实际供电系统的运行及故障跳闸。（３）故障监测。监测ＣＴ和ＰＴ的极性、相序、变比、断线及保护装置模拟量采集回路是否正常，如有ＣＴ一次线虚接，应能精确定位，以便及时排除故障。（４）智能供电系统宜采用国网在智能配网中推出的先进判据，彻底解决接地／漏电选线不准问题。可按照煤安规程的规定，进行漏电试验或在不停电的情况下模拟漏电试验，保证漏电保护的可靠性。２．４有标准可依煤矿智能供电系统是必然的趋势，许多的智能化设备厂家全力以赴智能供电的探索研究和设备生产，原理和技术水平参差不一，且目前国家或煤炭行业还都没有统一的有关智能供电系统的标准，许多煤炭企业已经把智能供电提上日程，为了更好地把智能供电建设好，减少重复投资，建议行业主管部门尽早制定符合煤矿实际的智能供电系统标准。有的煤炭企业利用自身优势，积极和设备厂家，科研院校开展技术合作，借助他们的优势，进行了智能供电的示范建设，为今后的推广作充分的技术储备。２．５验收通过煤矿智能供电系统改造完成后，必须进行验收，当前主要存在的问题是智能供电系统改造后，煤矿企业没有自己的验收和验收方法，改造厂家说了算，所以煤炭行业相关主管部门要制定智能供电系统的验收标准和方法，同时煤炭企业自身要加强技术交流，标准掌握，加强对相应人才的培养，以使智能供电系统能够在设备厂家和煤炭企业共同配合下，协同推进智能供电系统的建设。３结论煤矿企业要结合井下供电实际，重视当前全矿井供电电网存在的大负荷冲击电网、无功损耗大、功率因数底，未端压降大，电网谐波大、无人值守系统不完善等一直未解决的问题，充分利用新设备新技术，特别是智能供电系统技术，强化标准、验收制度建设，确保智能供电系统用好、好用，从而为煤矿的安全生产保驾护航。参考文献［１］毛卫清．煤矿供电系统防越级跳闸技术应用探讨［Ｊ］．煤炭工程，２０１３（６）１５ 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