浅谈煤矿供电系统存在的问题及解决方法_吴文明

1、第 9 期2009 年 9 月工 矿 自 动 化Industry and M ine A utomationNo. 9Sep. 2009文章编号: 1671- 251X( 2009) 09- 0126- 04浅谈煤矿供电系统存在的问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272102)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;

2、谐波; 谐振; 电气发热中图分类号: TD608/ 61文献标识码: B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。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35 kV变电所, 其一次电压为 35 kV, 二次电压为6 kV。2 路35 kV 级电源进线均来

3、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 35 kV 级, 1 条 6 kV 级) 接入 35 kV 变电所。35 kV 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。35 kV 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 kV 下级变电所等12 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:

4、 2009- 05- 21作者简介: 吴文明( 1962- ) , 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-mail: x lw w m ykjt. cn进线来自 35 kV 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35 kV 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 15 路馈出, 其中 3 路供井下东翼采区。35 kV 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、- 270变电所均已更换为南瑞继保RCS9

5、000 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 35 kV 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 KJ- 137 微机保护综合自动化监控系统和ZBT- 11 型微机综合保护器, 在矿调度室可以对其进行集中监控。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

6、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2009 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# 127 #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

7、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)

8、 在中央变电所母线弧光短路时, 如果35 kV 变电所 6 kV 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 2007 年 7 月 23 日对兴隆庄煤矿 6 kV 母线供电系统进行电能质量测试, 并与国

9、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、11 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( TV) ( 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 TV 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TV 铁芯电感的磁饱和作用而激发的持续的、较高

10、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0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 TV 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

11、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。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; 35 kV 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

12、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 35 kV 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。解决方法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

13、优化和修改, 制定出一套适合煤矿供电系统# 128 #工矿自动化2009 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

14、。( 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)

15、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 kV 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( SVC) 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

16、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: 供电系统中性点接入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入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% 10% , 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

17、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。T V 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XL = 1/ XC 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T V 一次侧中性点回路, 其接入相当于在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

18、口三角绕组两端, 必然导致一次侧电流增大, 也就是说 TV 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 TV 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 10 kV T V 开口三角绕组的电阻值取 16. 5 33 8 。( 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 T V; 在满足系统运行要求的情况下, 采用防谐振式T V; 在 TV 开口三角绕组接灯泡或接入晶闸管消谐装置, 增加阻尼, 破坏谐振条件。在实际运行中, T V 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

19、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, TV 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 TV 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。2009 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# 129 #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

20、, 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RFID( 无线射频识别) 技术和 PN 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

21、压降。( 3) 采用无功动态补偿( SVC) 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 300 A 电流时可以减少约 150 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30% , 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 kV 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

22、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( di / dt) 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。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: 1孟繁宏, 李学山, 张占胜. 10 kV 电力系统谐振过电压的原因及抑制措施 J . 电气化铁道, 2005( 3) : 24- 27. 2徐亮. 对中低压电网过电压限制的方法 J . 电气时代, 2000( 8) : 33- 35. 3王其军. 煤矿供电系统装设消弧线圈的研究 J . 工矿自动化, 2002( 4) .中国矿业大学百年华诞- 第六届国际矿业科学