河南許平煤業(yè)公司礦區(qū)電網(wǎng)整體改造方案設(shè)計

楊孝虎

(河南省許平煤業(yè)有限公司)

許平煤業(yè)供電公司成立于2014年，是中國平煤神馬集團(tuán)下屬公司許平煤業(yè)有限公司內(nèi)部電網(wǎng)，由梨園供電公司和平禹供電公司合并而成。其礦區(qū)覆蓋平頂山市和許昌市，覆蓋面積較廣，系統(tǒng)分布極為不均，目前由16座變電站組成，其中有1座110 kV級，13座為35 kV級，總裝機容量271 MW，線路總長度約300 km，且大多分布于山區(qū)。公司電網(wǎng)經(jīng)過近40 a的運行，系統(tǒng)中存在的主要問題是設(shè)備老化、淘汰設(shè)備多、線路桿塔風(fēng)化嚴(yán)重、絕緣水平下降、電網(wǎng)繼電保護(hù)和安全裝置落后、動作協(xié)調(diào)性差、缺乏必要的檢測和記錄手段、事故發(fā)生頻繁且原因難以查找等。本研究對電網(wǎng)改造方案進(jìn)行設(shè)計，改造內(nèi)容主要有線路升級改造、變電站升級改造、公司電力調(diào)度升級改造等。

1 線路改造

1.1 線路防雷

公司電網(wǎng)部分線路經(jīng)過多雷區(qū)域，且大多線路不具備全線避雷功能，如程方線和文方線。雷電一直是危害公司電網(wǎng)安全、造成局部或較大范圍停電的重大自然因素。雷電主要分為直擊雷和感應(yīng)雷2種，雷直擊在桿塔或線路上時，直接造成過電壓，引起絕緣子閃絡(luò)和斷路器跳閘，嚴(yán)重時，會造成絕緣子破裂和斷線事故。事故可能造成設(shè)備直接擊穿和避雷器爆炸。對此，可采取外部和內(nèi)部綜合防雷措施：①對電網(wǎng)線路進(jìn)行重新設(shè)計選擇通道，采取主動避讓雷擊多發(fā)區(qū)；②增加全線避雷線；③降低桿塔接地電阻，在桿塔上接引雷針、架設(shè)進(jìn)線進(jìn)行避雷保護(hù)，多雷區(qū)每級桿塔上架設(shè)主動式避雷針；④安裝變電站進(jìn)線阻波器，多雷區(qū)增加絕緣子串；⑤加強線路管理，在通道兩側(cè)的桿塔上增加反光“高壓危險”、“禁止攀爬”等警示標(biāo)志，在下埋電力電纜段增加警示樁，加強通道兩側(cè)居民電力安全普法宣傳，在鐵塔上安裝驅(qū)鳥器[1-3]。

1.2 線路架設(shè)

許平煤業(yè)公司礦區(qū)小型煤礦、重組煤礦多，線路大多自行架設(shè)，以水泥桿居多，線路經(jīng)過山地和采礦塌陷區(qū)時極易發(fā)生傾倒，線路經(jīng)過農(nóng)村時，工農(nóng)關(guān)系協(xié)調(diào)復(fù)雜，給線路檢查和維護(hù)帶來了很大因難。線路引入站點也取自各地方變電站，部分還使用農(nóng)電，不符合“礦井專用線路不得分接其他負(fù)荷”的要求，必須進(jìn)行線路改造。對此，可針對各個礦井的分布特點，統(tǒng)一優(yōu)化變電站，設(shè)置區(qū)域變電站，重新構(gòu)建煤礦供電雙回路。以大型礦井變電站為主要用戶，同時輻射周邊小煤礦。線路架設(shè)全部采用鐵塔，淘汰門式桿和水泥桿，增強抗傾倒能力。

2 變電站改造

公司電網(wǎng)變電站運行存在的問題有：①設(shè)備超期服役，造成絕緣下降，可靠性差，存在國家禁止使用的淘汰設(shè)備，如平禹五礦站；②供電系統(tǒng)設(shè)備無“四遙”(遙信、遙測、遙控、遙調(diào))功能，如平禹、平禹二礦、三礦、五礦、長虹礦；③部分以往改造系統(tǒng)的設(shè)備不齊全，部分設(shè)備已經(jīng)停產(chǎn)，無法購買設(shè)備配件，如白廟站、方山站；④部分礦井資源枯竭，部分增長潛力不足；⑤部分線路較長，線路壓降較大；⑥變壓器老化嚴(yán)重；⑦大多數(shù)礦井停產(chǎn)保礦，設(shè)備空載率高，利用率低，形成隱性浪費；⑧上級電網(wǎng)運行可靠性不足，停電現(xiàn)象時有發(fā)生[4-6]。

相應(yīng)的解決措施為：

(1)直接更換淘汰設(shè)備。對于資源接近枯竭的礦井，不宜進(jìn)行電網(wǎng)全面改造，變壓器選型時，應(yīng)對礦井產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。對于產(chǎn)能增長有限的礦井，可通過內(nèi)部設(shè)備調(diào)換，對供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

(2)自動化功能是供電系統(tǒng)設(shè)備選型首要考慮的問題，所有一、二次設(shè)備必須有智能單元，通過智能單元能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控，如變壓器絕緣實時監(jiān)測，繞組、鐵芯、絕緣油溫度情況，調(diào)壓分接頭動作情況，斷路器各機構(gòu)動作情況，隔離開關(guān)到位情況，避雷器的計數(shù)情況等。一、二次設(shè)備通訊接口統(tǒng)一采用國際通用總線方式，為公司電網(wǎng)智能化改造奠定了基礎(chǔ)。

(3)針對目前公司電網(wǎng)中補償裝置投切不合理的現(xiàn)象，無法實現(xiàn)動態(tài)無功自動調(diào)節(jié)，造成電網(wǎng)能源浪費和電網(wǎng)末端電壓下降，在選擇補償裝置時，應(yīng)優(yōu)先選用動態(tài)無功補償系統(tǒng)，系統(tǒng)主要構(gòu)成為晶閘管控制并聯(lián)電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及電容器組(FC)。其優(yōu)點是系統(tǒng)無機械觸點，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)中的電抗器能夠抑制諧波和投切沖擊，延長電容使用壽命，并可將無功補償范圍擴大到超前和滯后2個可連續(xù)調(diào)節(jié)的范圍，因其具有雙向無功調(diào)節(jié)能力，是一種無功調(diào)節(jié)的最優(yōu)方案[7]。由于該系統(tǒng)采用新型電子技術(shù)，因而具有良好的通訊功能。

(4)在線監(jiān)視軟件必須具備專家級故障診斷功能以及友好的顯示界面，可以根據(jù)收集到的各類設(shè)備的實時工作參數(shù)，分析設(shè)備的運行狀況，并進(jìn)行風(fēng)險評估，以便及時通知檢修人員對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)。

(5)變電站所有數(shù)據(jù)必須能夠上傳到工業(yè)以太網(wǎng)上，統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，以TCP/IP協(xié)議為主，以供監(jiān)管部門采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

(6)需要新增或改造的變壓器全部采用非晶合金變壓器。由于大多數(shù)礦井處于停產(chǎn)整頓和停產(chǎn)保礦期間，變壓器利用率很低，采用非晶合金變壓器較各類硅鋼變壓器有以下較為突出的優(yōu)點：①非晶合金鐵芯配電變壓器的最大優(yōu)點是空載損耗值特低、超低的損耗特性、節(jié)省電能、用電效率高，對于生產(chǎn)不規(guī)律、用電負(fù)荷不確定的場合較適用；②非晶鐵芯在通過較高頻率磁通時，仍具有低鐵損及低激磁電流的特性，不致產(chǎn)生鐵芯飽和的問題，因而以非晶鐵芯制成的非晶合金變壓器具有較好的耐諧波能力[8]，礦井采用非晶合金變壓器對抗高次諧波非常合適；③運轉(zhuǎn)溫度低、絕緣老化慢、變壓器使用壽命長；④非晶合金配電變壓器的產(chǎn)品都設(shè)計成全密封式結(jié)構(gòu)，具有免維護(hù)或少維護(hù)的優(yōu)勢。

(7)增加應(yīng)急供電系統(tǒng)。 對于立井提升的高沼礦井和煤與瓦斯突出礦井，一但礦井出現(xiàn)雙回路停電，入井人員無法快速撤回地面，通過井筒梯子間撤出大批人員需要較長時間，也不夠安全。在礦井外部供電不可靠的地區(qū)加設(shè)應(yīng)急供電系統(tǒng)非常必要。因此設(shè)計一套柴油發(fā)電機及其配套的開關(guān)柜、電纜和保護(hù)組成的應(yīng)急供電系統(tǒng)，可在礦井出現(xiàn)供電異常情況時，將應(yīng)急電源輸送至礦井各個需要供電的負(fù)荷上，從而保障礦井工作人員安全。發(fā)電機容量的選擇應(yīng)能夠滿足所需保護(hù)礦井的通風(fēng)和副井提升系統(tǒng)安全運行要求，在人員撤出時還能夠完成排水任務(wù)，其最佳安置位置為就近的變電站，不但可以給不同的礦井供電，滿足多用戶需要，還可以提高設(shè)備的利用率。

3 調(diào)度系統(tǒng)改造

要保證電網(wǎng)安全運行，除了確保各站和線路良好運行外，還應(yīng)合理調(diào)度能量分配[9-10]。調(diào)度指揮中心在電力系統(tǒng)中發(fā)揮“大腦”作用，調(diào)度人員根據(jù)電力系統(tǒng)當(dāng)前運行狀況和預(yù)計的變化趨勢進(jìn)行判斷、決策和指揮。目前，公司尚未建立綜合調(diào)度自動化系統(tǒng)，調(diào)度員無法及時掌握系統(tǒng)的運行情況，只能根據(jù)現(xiàn)場運行人員的反饋信息進(jìn)行調(diào)度指揮，造成調(diào)度時間較長。由于系統(tǒng)陳舊，部分系統(tǒng)還不具備建立工業(yè)以太網(wǎng)的功能。各站不具備獨立的通訊網(wǎng)絡(luò)，只能掛靠在各個主體礦井網(wǎng)絡(luò)上。公司供電系統(tǒng)各站較為分散，上級文件、指令無法及時下傳到各站。對此，可以禹州地區(qū)和汝州地區(qū)為2個基本中心，首先在汝州地區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)，形成1個小分級網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度本地區(qū)；再通過網(wǎng)絡(luò)上傳至禹州地區(qū)(本部在禹州)，禹州各站數(shù)據(jù)直接上傳至中心站。汝州各站通過訪問因特網(wǎng)上傳至汝州中心站，千兆出口接入互聯(lián)網(wǎng)(圖1)。

圖1 電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)組網(wǎng)示意

4 電網(wǎng)改造建議

在供電線路上架設(shè)線路綜合保護(hù)器，供電系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置對輸電線路周邊狀況及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全天候監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過載波/短程無線電波(可通過單片機控制)傳輸至各變電站，也可以通過避雷線傳輸，但終端應(yīng)裝設(shè)濾波裝置和隔離裝置。雷電對上述傳輸方式危害較大，單片機控制收發(fā)系統(tǒng)可以通過線路上各點互為信號中繼點，確保輸電線路安全運行。輸電線路運行過程中的各種狀態(tài)參數(shù)包括絕緣子泄漏電流、脈沖電流、絕緣子串傾角、桿塔傾斜、微氣象、導(dǎo)線傾角、導(dǎo)線弧垂、斷線(能夠判斷斷線點的距離)等。每隔0.5 km或1 km裝設(shè)1組功率方向檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于縱差動保護(hù)原理，能夠快速判斷線路上的各種故障，并可對故障點進(jìn)行精確定位。針對架空線路經(jīng)過部分多雷區(qū)，由于避雷線無法躲避上行雷，在雷擊區(qū)域可以安設(shè)主動式避雷針。針對各個應(yīng)用系統(tǒng)，電網(wǎng)軟件系統(tǒng)還必須具備的功能為：①故障診斷，通過建立狀態(tài)模型，根據(jù)采集的輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)，給出專家型事故評估結(jié)論，以便維護(hù)人員能夠快速查找故障和事故發(fā)生原因；②在線預(yù)警，根據(jù)輸電線路的狀態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)線路存在的隱患(包括外力侵襲破壞等)，及時發(fā)出預(yù)警，避免故障發(fā)生，并進(jìn)行預(yù)測和趨勢分析，為調(diào)度中心提供決策信息支持；③狀態(tài)檢修，根據(jù)輸電線路運行過程中的各類狀態(tài)信息，并按照設(shè)備狀態(tài)檢修導(dǎo)則，進(jìn)行輸電線路狀態(tài)檢修；④風(fēng)險評估，根據(jù)輸電通道周邊環(huán)境信息以及運行狀態(tài)信息，評價輸電線路未來的運行風(fēng)險。在綜合調(diào)度自動化建成組網(wǎng)后，利用各條線路上傳信息，可建立起本級電網(wǎng)和上級電網(wǎng)之間的輸電線路差動保護(hù)模型，以便快速判斷故障點，確保供電安全可靠(圖2)。在線路上每隔0.5 km裝設(shè)1組電流互感器，故障信息發(fā)送至各站，通過因特網(wǎng)傳輸給電力調(diào)度中心，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，相關(guān)人員能夠快速定位故障點，及時排除故障。

圖2 故障的判斷示意

5 結(jié) 語

詳細(xì)分析了許平煤業(yè)供電公司礦區(qū)電網(wǎng)線路、變電站、調(diào)度系統(tǒng)存在的問題，對公司電網(wǎng)整體改造方案進(jìn)行了設(shè)計，取得了良好的實踐效果，對于類似礦區(qū)電網(wǎng)日常維護(hù)以及優(yōu)化改造有一定的參考價值。