煤礦供電保護系統(tǒng)技術(shù)的改造研究

摘要：隨著社會對煤礦資源需求量的與日俱增，在做好煤礦企業(yè)的日常管理工作外，還必須保證煤礦供電系統(tǒng)的安全。煤礦的供電保護系統(tǒng)是煤礦企業(yè)正常運營的關(guān)鍵點，只有不斷對改進供電系統(tǒng)的技術(shù)加強研究，才能牢牢把握住煤礦企業(yè)的生存發(fā)展，這對煤礦企業(yè)的供電技術(shù)安全來說有著重要的實際意義。

關(guān)鍵詞：煤礦企業(yè)；供電保護；系統(tǒng)改造；越級跳閘；誤動作 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM764 文章編號：1009-2374（2015）24-0152-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.075

為了提高礦井采煤工作的安全系數(shù)，避免因供電問題而引發(fā)的安全事故，相關(guān)煤礦企業(yè)部門應(yīng)該采取科學(xué)合理的管理措施，不斷改進煤礦供電系統(tǒng)的安全技術(shù)。本文主要以煤礦供電保護系統(tǒng)的安全為主線，結(jié)合自身的工作實踐和相關(guān)的工作經(jīng)驗，系統(tǒng)地闡述了煤礦供電保護系統(tǒng)的改造研究技術(shù)。

1 煤礦供電保護的現(xiàn)狀

整個煤礦行業(yè)的高效安全生產(chǎn)對供電系統(tǒng)提出了一系列更高的要求。由于煤礦采煤的工作面不斷擴大，使得供電線路不斷深入礦井末端，在礦井底層的惡劣環(huán)境下，供電線路的安全也不斷受到影響。目前，大多數(shù)煤礦企業(yè)都出現(xiàn)了越級跳閘、保護裝置不完善、誤動作增加、保護裝置的通訊能力下降等問題，嚴重威脅著煤礦供電系統(tǒng)的安全。

1.1 越級跳閘的線路問題

當前的煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)大多都存在失壓保護零時延以及速斷電路的過流保護定值無法固定等問題，這些問題直接影響了煤礦企業(yè)安全高效的正常采煤工作，甚至出現(xiàn)供電系統(tǒng)過流、漏電以及短路的問題，特別是供電系統(tǒng)的越級跳閘問題，極大地威脅著煤礦的安全運營。越級跳閘是由于煤礦井下的失壓保護動作不能整定，加上母線上的其他開關(guān)正好位于母線與饋線距離段上，一旦保護器的時延為零，就會引起母線上的其他開關(guān)出現(xiàn)失壓保護誤動作，也就造成了供電系統(tǒng)的越級跳閘。因為礦井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無法將線路整定保護定值，又缺乏相應(yīng)的最小保護范圍，這就使供電系統(tǒng)的主保護失去全面控制，一旦礦井線路出現(xiàn)短路，速斷過流保護又無法及時控制，就會出現(xiàn)越級跳閘，導(dǎo)致煤礦的供電系統(tǒng)癱瘓，影響采煤工作的進度。

1.2 誤動作的產(chǎn)生

誤動作的產(chǎn)生也是煤礦供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題，一般情況下，如果供電系統(tǒng)的漏電保護功能失控，其本身所具有的抗電磁干擾能力就會下降，進而引起數(shù)據(jù)傳輸和處理數(shù)據(jù)的速度變慢，在礦井環(huán)境下，一旦出現(xiàn)漏電或者電纜接地的現(xiàn)象，就會導(dǎo)致供電系統(tǒng)的上下級零序電流支路無法固定在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，進而產(chǎn)生誤動作。誤動作的產(chǎn)生使煤礦供電系統(tǒng)的漏電保護功能無法集中選線功能，并且也在一定程度上影響整個線路的恢復(fù)，對煤礦企業(yè)的正常產(chǎn)煤工作造成了效益上的損失。

1.3 保護裝置的功能不健全

煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個環(huán)節(jié)出錯都會影響整個供電系統(tǒng)的安全。當前我國的很多煤礦企業(yè)在供電保護裝置上都出現(xiàn)設(shè)置簡單、功能不健全的問題，這些供電系統(tǒng)的保護功能或者其他功能，是實現(xiàn)供電系統(tǒng)改造的關(guān)鍵。比如，煤礦企業(yè)的通訊功能，如果此功能喪失就會導(dǎo)致供電保護裝置的遙控、遙信、遙脈以及遙測等功能的缺失，由于通訊裝置是礦井采煤工作不可或缺的重要環(huán)節(jié)，所以就必須及時安排值班人員進行及時處理，不但影響了煤礦工作的正常進度，還在一定程度上增加了工作人員的壓力。再例如，如果缺失了故障的錄波功能，將會直接影響故障數(shù)據(jù)收集的不全面，導(dǎo)致對故障錄波的分析不到位。所以，供電系統(tǒng)的保護裝置對整個煤礦企業(yè)正常運營來說也是至關(guān)重要的，必須建立完善全面的供電系統(tǒng)保護裝置。

2 提升煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)安全性的策略

眾所周知，煤礦工作的礦井環(huán)境惡劣，并且在礦井中存在很多的易燃易爆物質(zhì)，包括大量的煤塵和瓦斯，所以，如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致有短路或者明火產(chǎn)生時，就非常容易引起瓦斯爆炸，對煤礦工作的正常進行產(chǎn)生極大的安全隱患。

2.1 提高煤礦供電系統(tǒng)的可靠性

對于煤礦的供電系統(tǒng)安全可靠性來說，最主要的是要保證礦井的供電正常并且可以持續(xù)供電，要想確保煤礦企業(yè)的持續(xù)供電，就必須設(shè)置礦井下的兩回源線路供電，將這里的兩回源線路分別從不同的變電所或者發(fā)電廠引出，避免兩個電源同時出現(xiàn)斷電，一旦礦井斷電，就會影響礦井的正常運作，甚至威脅到礦井里面工作人員的生命安全以及工作設(shè)備的損壞，所以備用兩個電源將會在很大程度上提高供電系統(tǒng)的可靠性，另外，無論是哪一個電源都應(yīng)該保證電源的電容能夠滿足礦井整個工作用電負荷的需要。煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)需要一個絕對安全的保證，所以還可以與煤礦附近的發(fā)電廠形成合作關(guān)系，在發(fā)電廠與煤礦企業(yè)之間設(shè)置故障應(yīng)急措施，在煤礦的供電系統(tǒng)安全工作中多加一層防護。

2.2 保證煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)的健全

煤礦企業(yè)的供電保護是保證整個用電安全的關(guān)鍵，特別是低壓供電保護系統(tǒng)，應(yīng)該嚴格按照分級閉鎖和選擇性斷電的基本原則，在進行保護設(shè)計和低壓供電技術(shù)的進一步改造中，要盡量體現(xiàn)供電系統(tǒng)的節(jié)能型和經(jīng)濟性，適當選擇新斷電控制，以便更加穩(wěn)固煤礦中一系列機電設(shè)施的高效應(yīng)用性，全方位健全低壓繼電保護裝置，避免煤礦操作工人由于意外不當操作引發(fā)安全事故。

2.3 煤礦供電系統(tǒng)越級跳閘的解決方案

科學(xué)合理的構(gòu)建防越級跳閘保護系統(tǒng)是確保煤礦工作人員生命安全與煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。煤礦供電防越級跳閘保護系統(tǒng)具有高安全性、高性能、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，是進行全站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字改革供電保護系統(tǒng)，能最大效度地解決煤礦供電系統(tǒng)中的越級跳閘問題，該系統(tǒng)的線路是通過點對點光纖保護通信網(wǎng)絡(luò)的差動保護光纖模式。這樣科學(xué)合理的越級跳閘保護系統(tǒng)，在一定程度上開辟了煤礦供電保護的新征程，也極大地提高了煤礦企業(yè)用電的可靠性和安全性。

2.3.1 數(shù)字式光纖差動保護原理與穩(wěn)定機制。數(shù)字式光纖差動保護原理是從兩個角度進行分析的，一是瞬時采樣值的差動電流保護，它的主要功能是分辨故障是在哪個發(fā)生區(qū)，二是故障分量電流差動保護，通過一定的判斷形成差動保護，如果假設(shè)i1和i2分別表示線路兩端的電流瞬時值，將整定值設(shè)為I，制動系數(shù)為K。那么，整個的電路保護自動方程式就可以表示為|i1+i2|>I以及|i1+i2|>K|i1-i2|。要使保護系統(tǒng)的制動保護效果達到最佳狀態(tài)，就必須滿足瞬時采用值電流差動保護采用盤踞窗大于90度的標準。

2.3.2 小電流的接地選線功能。該方法主要是采用消弧線圈并聯(lián)中值電阻，一般分為主動式選線和被動式選線兩種，前者又包括消弧圈并聯(lián)中值電阻法、殘留增量法以及注入法。通過改變供電系統(tǒng)的運行方式或者結(jié)構(gòu)。后者由于存在理論上的爭論，在實際的煤礦保護系統(tǒng)設(shè)計中不經(jīng)常使用。消弧線圈并聯(lián)中值法的工作原理是：在供電保護系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下，中值電阻不會投入系統(tǒng)，但是會在一定程度上受到感性電流和與其相等的容性電流的影響，出于消弧線圈的跟蹤影響，導(dǎo)致感性電流與容性電流相反。當出現(xiàn)單線電弧的電流接地故障時，可通過消弧線圈的跟蹤作用，是電弧熄滅，引起故障點的電流快速減少，最終故障消失。當出現(xiàn)永久性接地故障時，結(jié)合消弧線圈的跟蹤作用，致使中值電阻的投入時間縮短，可以較明確分辨非故障電路與故障電路，便于選線。

2.3.3 差動保護運行存在的問題以及解決方案。一般情況下，差動運行過程中存在的問題有CT飽和、誤碼校驗、電容電流問題以及同步化處理等問題。CT斷線與CT飽和問題在本質(zhì)上是不同的，一旦出現(xiàn)誤動作，也許不是CT斷線引起的，但是可能是發(fā)生在區(qū)外故障引起的誤動作，所以，煤礦企業(yè)的供電故障排查一般依據(jù)較為成熟的CT斷線檢測CT是否出現(xiàn)斷線。針對弱饋問題，可以設(shè)置一個低壓輔助啟動軟件，當氣動元件的定值高于供電系統(tǒng)的電壓，非弱饋側(cè)就會通過驅(qū)動電流差動保護出口，進一步解決故障的問題。

數(shù)字式光纖差動防越級跳閘保護系統(tǒng)，由于設(shè)備功能齊全，運行穩(wěn)定，可以很大比例上避免跳閘發(fā)生，所以在提升了煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性上，進一步提高了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3 煤礦供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

煤礦供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)一般由監(jiān)測與保護裝置、監(jiān)控中心、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，首先，監(jiān)測與保護裝置主要是為了防護礦井下防爆開關(guān)以及礦井上微機保護開關(guān)。其次，就是由光纖環(huán)網(wǎng)交換機、光纜電纜以及監(jiān)控分站構(gòu)成的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。最后，關(guān)于監(jiān)控中心的結(jié)構(gòu)，是由UPS電源、操作軟件和打印機等硬件組合而成。

供電系統(tǒng)的監(jiān)控功能是通過實時數(shù)據(jù)和收集和顯示，以曲線或者圖表的形式展示出各開關(guān)的變化情況。監(jiān)控中心還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，即使無人值守，也能及時掌握電氣設(shè)備的情況。一旦電路發(fā)生故障，可以迅速準確辨別故障位置，以最快時間實現(xiàn)人員撤離，保證煤礦工作人員的生命安全。

3.2 供電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著社會科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)也正逐漸朝著智能化發(fā)展，不僅具備報警、查詢、“四遙”等功能，還增加了防越級跳閘、故障診斷以及預(yù)測方面的功能。這里著重介紹一下供電監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷和預(yù)警功能。

煤礦供電系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)警功能對煤礦企業(yè)的正常運營起著至關(guān)重要的作用，也是今后監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造的重點研究方向，通過對各種電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的積累分析，結(jié)合智能化的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，已經(jīng)能實現(xiàn)設(shè)備的實時監(jiān)控，比如，煤礦上的高壓電纜監(jiān)測與故障診斷預(yù)警設(shè)備，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測電纜的絕緣問題，根據(jù)運行狀態(tài)預(yù)防故障的發(fā)生。并且，隨著Petri網(wǎng)、遺傳算法、模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等故障診斷應(yīng)用，將診斷的準確率大大提高。

在不斷改善的診斷過程中，粗糙集理論與希爾伯特-黃變換相結(jié)合的診斷方法，在煤礦供電系統(tǒng)中起著更加精準的診斷作用，能夠快速對電路中的短路、斷路、電磁諧振等進行準確而快速的診斷。

4 煤礦供電保護系統(tǒng)的改進策略

4.1 健全供電繼電保護系統(tǒng)

4.1.1 加強繼電保護裝置。礦井中的電路環(huán)境有限，底層的低壓電路需要對電動機的控制設(shè)備進行直接供電，這就需要對供電系統(tǒng)進行電流負荷保護、漏電閉鎖保護、短路控制以及遠程控制等。關(guān)于礦井下的高壓電動機，為了滿足變壓器中的高壓控制，也應(yīng)該具備短路、過負荷、欠壓釋放保護、接地等保護措施。

4.1.2 不斷引進先進的科學(xué)技術(shù)。在煤礦產(chǎn)業(yè)日益繁榮發(fā)展的今天，我們不僅僅關(guān)注煤礦企業(yè)的高產(chǎn)量生產(chǎn)，還要更加注重煤礦管理中的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用，全面保護煤礦各項工作的順利進行，保證煤礦工人的生命財產(chǎn)安全。通過不斷引進先進的科學(xué)技術(shù)，積極改進煤礦供電保護系統(tǒng)，并實施到煤礦的正常運營中，減少煤礦供電系統(tǒng)故障的頻繁發(fā)生，避免安全事故發(fā)生。

4.1.3 配備短路、過流保護裝置。煤礦企業(yè)可以根據(jù)礦井作業(yè)的實際情況，選擇有針對性的繼電保護裝置，但是必須配備電網(wǎng)中最大的三相短路電流驗證開關(guān)設(shè)備，選擇合適的熔斷器，避免事故發(fā)生時熔斷器不熔的現(xiàn)象，對設(shè)備的啟動和故障保護裝置要進行準確的校準，確保穩(wěn)定可靠的動作系數(shù)，選用具有快速分斷功能的開關(guān)設(shè)備，保證超大容量的電氣設(shè)備及時準確的啟動。

4.1.4 在電氣裝置引入監(jiān)測系統(tǒng)。在煤礦企業(yè)中，較為保險的電氣設(shè)備運行是需要引入監(jiān)測系統(tǒng)的。在對電氣裝置和礦井電網(wǎng)進行監(jiān)測的過程中，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)顯示出的正確數(shù)據(jù)可對供電系統(tǒng)的故障和故障原因以及故障位置進行合理推測，進而較快速的發(fā)現(xiàn)故障并及時處理故障，降低了煤礦企業(yè)電氣設(shè)備的損壞，相對應(yīng)提高了煤礦的生產(chǎn)效率。

4.1.5 優(yōu)化布設(shè)實施。優(yōu)化布設(shè)對礦井供電的穩(wěn)定性和安全性是非常重要的，也是煤礦供電保護系統(tǒng)改進技術(shù)中不可或缺的。一般情況下，對供電系統(tǒng)實施調(diào)整、分段供電、提高礦井供電電壓以及完善相關(guān)設(shè)施設(shè)備等，都是優(yōu)化布設(shè)實施的必要過程，對煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)安全性和可靠性起著非常關(guān)鍵的作用。

4.1.6 檢修和維護供電裝置。檢修和維護供電裝置是煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)保護中不應(yīng)忽視的一個重要環(huán)節(jié)。及時檢修不合格或者老化的電氣設(shè)備和線路等，可以在提高供電設(shè)備的安全性，礦井的供電系統(tǒng)裝置一般都是有使用年限的，并且在礦井下存在較快速的磨損與消耗，需要經(jīng)常關(guān)注供電設(shè)備以及電路系統(tǒng)的調(diào)整與升級，及時完善必要的檢修維護，保證供電設(shè)備的良好性能。比如，如果在供電保護系統(tǒng)的檢修過程中，發(fā)現(xiàn)礦井的防爆電氣設(shè)備損壞或者性能降低，那就必須與設(shè)備管理部門及時聯(lián)系，并在最短的時間內(nèi)完成損壞設(shè)備的更換，減少裝置出現(xiàn)故障的頻率，保證礦井供電系統(tǒng)的正常工作，促進煤礦企業(yè)的快速發(fā)展。

4.2 礦井下供電系統(tǒng)的優(yōu)化

礦井供電系統(tǒng)的優(yōu)化采用了供電的雙回路模式，不僅可以達到采煤、挖掘與運輸?shù)拳h(huán)節(jié)之間的獨立運行供電，還保證了煤礦工作的產(chǎn)煤效率。除此之外，優(yōu)化模式還包括高壓深入采煤區(qū)域以及雙風(fēng)機雙電源的供電系統(tǒng)，從根源上防止了大面積的井下斷電，為煤礦企業(yè)的發(fā)展提供了極大生產(chǎn)便利。

4.2.1 采取采、掘供電分開模式。在煤礦的采礦生產(chǎn)中，礦井下采煤和挖掘等輔助運輸過程相互之間存在一定的影響。一旦出現(xiàn)供電問題，就會導(dǎo)致“井下停電，影響一片”的后果，所以在優(yōu)化礦井的供電系統(tǒng)時，應(yīng)該合理規(guī)劃采煤、挖掘與運輸之間的供電模式，適當考慮從發(fā)電廠開始，進行分開供電模式，減少礦井開采的眾多環(huán)節(jié)之間的相互影響，采用各電源設(shè)備負荷專用配電開關(guān)，確保獨立供電，即使采煤工作的其中一個環(huán)節(jié)停電，也不影響其他環(huán)節(jié)的正常工作。

4.2.2 高壓深入采煤區(qū)域。由于綜合采煤機組和機組相關(guān)運輸設(shè)備的功率都較大，消耗更多的電能和壓力，所以應(yīng)該進行合理調(diào)整，實現(xiàn)移動變電站和供電設(shè)備開關(guān)兩者共同構(gòu)成的電壓設(shè)備，完善電壓協(xié)同工作模式，避免由于電氣設(shè)備過流保護不當引起的斷電現(xiàn)象。同時，也可以借鑒新型的移動變電站方式，以電荷大小朝向中心電荷移動，保證供電系統(tǒng)的正常使用。

4.2.3 掘進工作面采用雙風(fēng)機雙電源。在掘進工作面采用雙風(fēng)機可以解決無計劃停風(fēng)的問題，使用雙電源可以在很大程度上保證雙風(fēng)機持續(xù)不斷供電。在持續(xù)供電供風(fēng)的條件下，可以實現(xiàn)礦井挖掘工作的高效率生產(chǎn)，另外，雙風(fēng)機與雙電源共同支持挖掘工作，可以給設(shè)備檢修人員提供便利，對設(shè)備的維護工作也起到了積極的促進作用。

5 結(jié)語

綜上所述，煤礦企業(yè)在優(yōu)化供電設(shè)施的同時，應(yīng)該結(jié)合煤礦企業(yè)的實際發(fā)展趨勢以及礦井下面的運行狀況，統(tǒng)籌整個供電系統(tǒng)并著眼于每一個煤礦供電的細節(jié)問題，以最大的效率完成科學(xué)合理的改進設(shè)計，不僅要保證煤礦工人的生命安全，還要兼顧煤礦企業(yè)實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益，促進整個煤礦行業(yè)的快速、安全、可持續(xù)的發(fā)展。

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作者簡介：劉會軍（1974-），男，湖北鄂州人，神華新疆能源有限責任公司工程師，研究方向：電氣自動化。

（責任編輯：蔣建華）