浅谈煤矿供电系统存在的问题和解决办法

浅谈煤矿供电系统存在的问题和解决办法
文章在分析淮南矿业集团现有大型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。

这些方法已在各新建矿井应用，取得了较好的效果。

标签：煤矿供电系统继电保护谐波谐振
0 引言
煤矿生产中比较关键的辅助系统就是煤矿供电系统，煤矿供电系统安全、可靠的运营对煤矿的正常生产及运行有十分重要的意义。

目前，煤炭生产技术的迅速发展，大大提高了矿井煤炭的产量，煤矿作业中也运用了大功率采煤机组和运输设施，井下供电系统承担的负荷就越来越多，这就要求整个供电系统必须提高供电质量。

笔者根据淮南矿业集团现有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 矿井供电系统存在的问题
目前，大功率采煤机组和运输设备被广泛采用，也获得了很好的发展，这就要求整个煤矿供电系统应该提升自身的供电质量。

同时，新设备的广泛运用也为煤矿供电系统制造了困扰，比如井下压降过大、系统谐波和谐振、电力设备发热以及继电保护整定值配合等问题。

在某些情况下，这些问题会威胁到整个矿井的安全生
产。

1.1 继电保护整定困难
继电保护的整定及配置技术在目前的电力部门的输配电系统中的应用已相当成熟。

煤矿供电系统在自身的运营结构及方法的基础上，适当引进了供电部门配电系统的继电保护整定和配置原则，但煤矿供电系统的运行结构和方式都有自己的特点，如井下线路级数多、每条线路相对要短、负荷量大等。

1.2 谐波污染加重
电力电子技术在最近几年获得较快的发展，很多功率较大、性能较高的开关器件被广泛应用于煤矿生产活动中。

其中，很多电力电子设施也被逐步采用，如变频器、可控硅等，但同时也制造了很多谐波，造成电网电压产生波形畸变。

很多变电所供电系统注入3次、5次、7次、11次谐波电流超标。

1.3 系统谐振问题
煤矿供电系统属中性点不接地系统，变电所的母线上接有TV(电磁式电压互感器)。

一般情况下，电磁式TV会产生较大的励磁阻抗，且三相大致保持平衡，中性点的位移电压极小。

但是消除了接地故障或经过一定的操作之后，电磁式TV三相饱和程度就出现了较大的差别，造成其和导线电容或其它设施的杂散电容之间形成了谐振回路，有激发起各种谐波的谐振过电压的可能性。

这就是因为电磁式TV铁芯电感的磁饱和作用而激发的幅值较高，且不间断的过电压，通常我们称之为铁磁谐振过电压。

在中性点不接地系统中，很多事故都是由这种内部过电压所致。

谐振过电压具体体现在：单相、两相或三相对地电压升高，且存在低频摆动现象；由于谐振作用带来的高值零序电压分量，产生“虚幻接地”问题，使保护发出错误的接地指示；经现场勘察后得知，与母线相接的电压互感器曾有电流出现，发出的声音异常。

一旦有谐振现象产生，电网的某个部位就会出现过电压，不利于电气设备绝缘，从而出现过电流将设备烧毁，或使电磁式TV铁芯过于饱和，从而将电压互感器烧毁或熔断熔断器，还会对过电压保护装置的工作带来不利影响，导致保护误动。

1.4 电气连接部位发热
电腐蚀、螺栓不牢固、接触不良以及较大的负荷等都会引起连接部位发热，发热部位会加快结合面的氧化速度，从而导致进一步接触不良，这样就呈现恶性循环的状态。

如果发现不及时，导体就可能
烧熔、断路，严重者发生短路事故，尤其是开关柜内的封闭母线或高
处。

1.5 电压波动范围大
矿井供电系统电压产生较大的波动，应该予以一定的关注，其体现在：1d 内系统电压发生了很大的变化；110kV变电所和地面供电电压过高，而电压在采煤面上过低。

以下是导致该现象的原因：
①供电系统负荷出现较大的波动，这种负荷在生产过程中比较集中；
②有的情况下需要同步启动大型设施，产生了过大的无功冲
击；
③需要很长的线路才能完成系统供电，无疑减小了压降；
④电网电压以及电厂并网负荷在很大程度上影响到了系统电压；
⑤5%电抗器和下井回路串接，从而构成了一定的压降。

2 解决方法
2.1 继电保护整定困难的解决方法解决该问题，一定要修改并优化原来保护的整定值及结构配置，编制出与煤矿供电系统的继电保护相符的整定计算及一系列配置措施，以下是整体思路：
①人们往往将电抗器安装在下井线路上，在井上和井下，从电源到负荷方向的短路电流值的区别很大，便于辨别速断保护动作电流。

所以，应将三段式保护安装于下井线路上，在地面变电所及下井线路安装微机保护的变电所，其馈出线路上最好也安装三段式保护，保护时限及整定值以配合相邻线路。

②重新设置地面变电所至井下变电所的继电保护，同时对整定动作电流进行优化，使该电流适应继电保护总的原则。

还要根据煤矿井下电网的不同情况，采取相应的整定措施及保护设置，以满足纵向选择的需求。

③对变压器保护的复压闭锁值进行重新整定，按照变压器低压侧末端故障发生时电压元件的灵敏度来整定；另外，电流保护的动作时限要符合下井线路的Ⅲ段时限的要求，通过电压动作值、时限两方面，为变压器后备保护的可靠性提供保障。

鉴于保护的供电可靠性及灵敏度和，将复压闭锁退出为宜，换用原来的过流+限时速断的后备保护。

④制定合理的线路配置整体方案。

通过上文的介绍，对煤矿供电系统的特性进行了分析和探讨，与地面10kV线路相比，短路故障更容易出现在井下供电网络，对整体线路保护系统的方法措施作进一步改进；如果短路故障出现在井下，必须限制大电流对上级变电所主变的冲击，同时也应使井上的过流保护动作值与井下的相互配合，还要考虑全线电压损失以及保护系统的可选性，确定其是够牢固、可靠。

2.2 谐波污染加重的解决途径
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。

2.3 系统谐振问题的解决途径
系统的正常运行多半会受到铁磁谐振的影响，这就造成了电磁式TV烧损爆炸及高压熔丝熔断等事故的发生。

可通过以下途径来解决上述中性点不接地系统中的问题：
①自动调整补偿装置：与供电系统中性点接入参数相符的TV中性点经消谐器及消弧线圈接地，使系统谐振问题得到解决。

自动调整补偿装置，降低消弧线圈的脱谐度或全补偿运行，这是因为将功率较大的阻尼电阻串入了消弧线圈的一次回路内，使阻尼率大大增加，减小了中性点谐振过电压的幅值，使之满足相电压的5%～10%，若系统的消弧线圈工作电流和电容电流相等，也就是在谐振过程中，限制中性点电压，使其不超出允许值的范围，以此达到全补偿的目标，该方法比较合理，且残流最少。

②消弧线圈：将供电系统中的消弧线圈接在中性点处，打乱谐振条件，可对谐振过电压起到有力的抑制作用。

TV的励磁感抗偏大，但消弧线圈的感抗较小，几乎不可能满足谐振条件ωL=1/ωC，因此不会引起谐振。

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：消谐器属于一种非线性复合电阻，它的配置比较特殊，与TV一次侧中性点回路串接，其接入就等同于在TV一次侧所有相对地全部接入电阻，能对阻尼过电流及TV过电压起到有效的抑制作用，同时还可以抑制谐波的作用。

④TV开口三角绕组接电阻：考虑到对谐波的抑制作用，取得的效果会随着电阻的减小而约变得明显，但同时也会加剧TV的过载现象，如果单相接地和谐振时间太长，就会出现TV烧毁或保险丝熔断的可能。

如果正常运行，则应取16.5～33Ω作为接入10kVTV开口三角绕组的电阻值。

⑤其它抑制谐振过电压的方法：选用的TV必须不易饱和，且具备良好的励磁特性；达到系统的运行要求之后，改换防谐振式TV；将晶闸管消谐装置或灯泡接入TV开口三角绕组，使阻尼增加，从而阻断谐振条件的形成。

但是，TV 开口将分频消谐装置接入TV开口三角绕组或三角绕组接电阻等措施应用在实际运行中，根本无法阻止保险丝熔断或谐振作用。

当线路单相接地或产生了谐振，很明显的就增加了TV一次侧电流及因自身元件故障而无法做到消谐，这是这两种措施最大的缺憾。

将消谐器安装于TV中性点上，当线路单相接地时可通过该法使TV各相绕组电压在正常相电压的范围内不饱和，达到有效抑制铁磁谐振的目的，使电压互感器一次侧电流减小。

此外，这种方法也确保了接地指示装置对相位以及零序电压幅值的灵敏性。

2.4 电气连接部分发热问题的解决方法
当前，可借助手持式红外线热成像仪来解决此类问题，要求值班人员对温度进行定期观测，对电力设备各处的温度进行检测，了解其具体的发热情况，也可以运用无线测温预警系统测温。

2.5 电压波动范围大的解决方法
①扩大电缆截面。

②选用合适的设备容量，使功率因数、负荷率得增加，从而降低无功损耗和线路压降。

③通过无功动态补偿(SVC)技术，对系统无功功率进行动态补偿，稳定系统电压。

3 结语
上文提出的煤矿供电系统存在的问题和解决办法都是结合淮南矿业集团新建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:
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