煤礦供電系統(tǒng)電源快速切換研究

胡萬(wàn)忠

（開(kāi)灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063109）

引言

煤礦供電系統(tǒng)是保證礦井安全生產(chǎn)的前提，目前礦井變電站進(jìn)線采用雙回路輸電線路供電。理論上講，可以配置備用電源自投裝置實(shí)現(xiàn)進(jìn)線之間和進(jìn)線與母聯(lián)之間的電源切換問(wèn)題。但由于備用自投裝置是為沒(méi)有電動(dòng)機(jī)負(fù)載的場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，在煤礦供電系統(tǒng)應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：

（1）切換時(shí)間長(zhǎng)，在恢復(fù)送電前，主風(fēng)機(jī)可能已經(jīng)被切除；

（2）無(wú)相頻檢測(cè)，沖擊電流大，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷及備用變壓器易受沖擊損壞或絕緣老化縮短使用壽命；

（3）備自投原理設(shè)計(jì)不完善，遇到永久性故障，會(huì)擴(kuò)大事故范圍。

（4）自投成功率低。在發(fā)生越級(jí)跳閘特別是越二級(jí)跳閘時(shí)，裝置可能會(huì)誤動(dòng)。

由于以上原因，目前多數(shù)煤礦系統(tǒng)變電站未配置備自投裝置，或即使配置了也未投入使用，仍然采用人工恢復(fù)送電的方式。

按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，主扇備用電源應(yīng)能保證主扇風(fēng)機(jī)在10分鐘之內(nèi)啟動(dòng)和運(yùn)行，保證正常通風(fēng)。目前若主扇6kV常用電源因故障掉電后，投入備用電源需人工倒閘操作，期間在人工操作時(shí)，熟練司機(jī)正常操作時(shí)間至少為4～5分鐘。如果司機(jī)對(duì)倒閘操作不熟練，發(fā)現(xiàn)事故慢，對(duì)事故反應(yīng)不靈敏，通訊不暢通，那么主扇停運(yùn)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，會(huì)直接影響礦井通風(fēng)安全。

1 范各莊煤礦供電系統(tǒng)快速切換方案研究

1.1 技術(shù)原理

煤礦接線方式大多采用單母分段方式，接線圖可簡(jiǎn)化如圖1-1所示。圖中進(jìn)線1、2可以是線路、主變、線路-變壓器組等對(duì)母線進(jìn)行供電的變配電設(shè)備的一種。

圖1-1 單母分段主接線

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，母線1由進(jìn)線1供電，母線2由進(jìn)線2供電。即進(jìn)線開(kāi)關(guān)1DL、2DL閉合，分段開(kāi)關(guān)3DL斷開(kāi)。主要負(fù)荷為異步電動(dòng)機(jī)。

供電系統(tǒng)采用單母線分段供電時(shí)，當(dāng)進(jìn)線1或進(jìn)線2發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)進(jìn)線1開(kāi)關(guān)或進(jìn)線2開(kāi)關(guān)后母線1或母線2失電，電動(dòng)機(jī)將惰行。由于負(fù)荷多為異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)單臺(tái)電機(jī)而言，工作電源切斷后電動(dòng)機(jī)定子電流變?yōu)榱?，轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從額度值逐漸減速，轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)將在定子繞組中反向感應(yīng)電勢(shì)，形成反饋電壓。

圖1-2給出了母線殘壓和備用電源電壓角差變化和殘壓幅值衰減示意圖，研究表明，當(dāng)失電剛發(fā)生時(shí)，通過(guò)控制合閘時(shí)的頻差和相角差，可以使得電動(dòng)機(jī)繞組承受的沖擊電壓小于電動(dòng)機(jī)的允許起動(dòng)電壓，即不超過(guò)機(jī)端額定電壓的1.1倍，從而既實(shí)現(xiàn)了快速合上備用電源，又避免了對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的強(qiáng)烈沖擊，這就是所謂的“快速切換”，適合快速切換的時(shí)機(jī)在圖中以區(qū)域1表示。在區(qū)域2，殘壓與備用電源電壓處于第一次相位重合點(diǎn)附近，如果能在此時(shí)合閘，則對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊也不大，電動(dòng)機(jī)將很快進(jìn)入穩(wěn)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行，這就是“同期捕捉”。

圖1-2 母線殘壓與備用電源角差和幅值示意圖

以極坐標(biāo)形式繪出的失電母線殘壓相量變化軌跡如圖1-3所示。

圖1-3 母線殘壓相量變化軌跡

圖中VD為#1母線殘壓，VS為備用電源電壓（即#2母線電壓），△U為兩個(gè)母線間的差壓。

在實(shí)現(xiàn)快速切換時(shí)，母線的電壓降落、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降都很小，電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)電流也不大。切換過(guò)程中相關(guān)的電壓、電流錄波曲線如圖1-4所示。

圖1-4 快速切換時(shí)的電流電壓波形

1.2 快速切換分類

（1）同期捕捉切換

圖1-3中，過(guò)B點(diǎn)后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點(diǎn)后至CD段實(shí)現(xiàn)的切換以前通常稱為“延時(shí)切換”或“短延時(shí)切換”。因不同的運(yùn)行工況下頻率或相位差的變化速度相差很大，因此用固定延時(shí)的辦法很不可靠，現(xiàn)在已不再采用。利用快切裝置的功能，實(shí)時(shí)跟蹤殘壓的頻差和角差變化，實(shí)現(xiàn)C-D段的切換，特別是捕捉反饋電壓與備用電源電壓第一次相位重合點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合閘，這就是“同期捕捉切換”。

在同期判別過(guò)程中，計(jì)算出備用電源電壓與殘壓之間相角差速度及加速度，按照設(shè)定的備用電源開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間進(jìn)行計(jì)算得出合閘提前量，從而保障了在殘壓與目標(biāo)電壓在第一次相位重合時(shí)合閘。減少了對(duì)旋轉(zhuǎn)負(fù)載的沖擊。采用同期判別切換可以控制對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊，但由于需要等待電機(jī)殘壓與備用母線電壓相位差較小的時(shí)刻，供電中斷時(shí)間約為0.4～0.6s。

同期捕捉切換過(guò)程中，相關(guān)的電壓電流錄波曲線如圖1-5所示。

圖1-5 同期捕捉切換時(shí)的電流電壓波形

（2）殘壓切換

當(dāng)母線電壓衰減到20%-40%額定電壓后實(shí)現(xiàn)的切換通常稱為“殘壓切換”。殘壓切換雖能保證電動(dòng)機(jī)安全，但由于停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)成功與否、自起動(dòng)時(shí)間等都將受到較大限制。

該切換可作為快速切換及同期判別功能的后備，以提高切換的成功率。殘壓切換的判據(jù)比較簡(jiǎn)單，不需要檢測(cè)備用電源電壓與母線殘壓之間的相角差，故只需設(shè)定最大允許殘壓定值。

（3）長(zhǎng)延時(shí)切換

當(dāng)某些情況下，母線上的殘壓有可能不易衰減，此時(shí)如殘壓定值設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)推遲或不再進(jìn)行合閘操作。或者當(dāng)備用側(cè)容量不足以承擔(dān)全部負(fù)載，甚至不足以承擔(dān)通過(guò)殘壓切換過(guò)去的負(fù)載的自起動(dòng)時(shí)。只能考慮長(zhǎng)延時(shí)切換。傳統(tǒng)的備自投回路是依靠電磁式繼電器的接點(diǎn)動(dòng)作來(lái)啟動(dòng)的，其主要缺點(diǎn)有切換動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，切換成功率低，以及沖擊電流大等等，而快切裝置卻正好可以彌補(bǔ)以上所說(shuō)的幾項(xiàng)不足。

2 快切裝置應(yīng)用

2.1 快切裝置的應(yīng)用條件

（1）應(yīng)具備兩個(gè)獨(dú)立供電電源：工作電源和備用電源，兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源閉鎖；正常運(yùn)行時(shí)，兩電源電壓之間允許一定的相角差，但一般不宜大于20°。

（2）應(yīng)配置有快速斷路器：少油式斷路器因其合分閘時(shí)間較長(zhǎng)，不適合應(yīng)用于廠用電系統(tǒng)的切換。而目前大范圍應(yīng)用的真空斷路器，其動(dòng)作時(shí)間一般在40～80ms，適用于快速切換。

（3）發(fā)電機(jī)組和廠用工作電源應(yīng)配備快速動(dòng)作保護(hù)繼電器，目前廣泛使用的微機(jī)保護(hù)繼電器均可使用,作為以上三種切換的總后備。

2.2 范各莊礦快切裝置的應(yīng)用實(shí)例

2.2.1 畢各莊風(fēng)井現(xiàn)有配電室現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)安裝有8臺(tái)KYN28A高壓配電柜，原有2條電源進(jìn)線來(lái)自上級(jí)同一個(gè)變電站的2個(gè)母線（開(kāi)灤林西熱電公司），兩條進(jìn)線操作號(hào)分別為6103、6203。

正常情況下，運(yùn)行方式為母聯(lián)開(kāi)口冷備用，兩條進(jìn)線電源分列運(yùn)行，2臺(tái)風(fēng)機(jī)只有1臺(tái)在運(yùn)行狀態(tài)，2條常用電源進(jìn)線任意一條均可帶全部母線負(fù)荷。當(dāng)任何一條進(jìn)線電源出現(xiàn)跳閘斷電事故時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)車司機(jī)手動(dòng)恢復(fù)送電，操作用時(shí)至少為4～5分鐘，恢復(fù)主扇通風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2.2 畢各莊風(fēng)井快切裝置實(shí)施方案

圖2-1為畢各莊風(fēng)井高壓室完善系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖，通過(guò)完善畢各莊風(fēng)井高壓室并安裝電源快速切換裝置，用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)井6kV工作主扇風(fēng)機(jī)6kV進(jìn)線或上級(jí)供電系統(tǒng)故障時(shí)的電源快速切換，確保工作主扇風(fēng)機(jī)不因進(jìn)線或其上級(jí)電網(wǎng)故障而停運(yùn)，從而省略了比較耗時(shí)的人工緊急啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)過(guò)程。

圖2-1 畢各莊風(fēng)井高壓室完善系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

考慮到畢各莊風(fēng)井現(xiàn)有的2路電廠6kV進(jìn)線電源上級(jí)35kV線路全停時(shí)，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)主扇風(fēng)機(jī)，在畢各莊風(fēng)井內(nèi)需新建1個(gè)配電室、原配電室2#進(jìn)線母線段新增1臺(tái)高壓柜、1臺(tái)S11-M-400/6/0.4變壓器、2臺(tái)低壓開(kāi)關(guān)柜，新建配電室包括安裝5臺(tái)6kV開(kāi)關(guān)柜、1臺(tái)S11-M-400/6/0.4變壓器、2臺(tái)低壓開(kāi)關(guān)柜。同時(shí)由畢各莊變電站至風(fēng)井新配電室敷設(shè)300米MYJV22-6/6-3×185高壓電纜，增加1路供電局6kV電源進(jìn)線。

實(shí)現(xiàn)2路電廠6kV進(jìn)線電源的閉鎖快速切換，其中6kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘運(yùn)行，2路電廠6kV電源閉鎖互切。電廠系統(tǒng)母線段聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)與供電局系統(tǒng)母線段聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合閘運(yùn)行，井下供電局來(lái)線6112開(kāi)關(guān)手車?yán)觯ù耸周囘M(jìn)出為電動(dòng)），與電廠兩路進(jìn)線開(kāi)關(guān)狀態(tài)閉鎖。當(dāng)2路電廠6kV電源同時(shí)失壓時(shí)，先斷開(kāi)2路電廠進(jìn)線開(kāi)關(guān)，使用備自投電動(dòng)推入1路供電局6kV電源手車后，投入供電局來(lái)線電源。

2路電廠6kV電源與1路供電局6kV電源閉鎖，能夠防止6kV進(jìn)線電源誤合環(huán)發(fā)生供電事故。同時(shí)在檢修狀態(tài)下，可以退出快速切換功能。

2.2.3 畢各莊風(fēng)井快切裝置優(yōu)先選用分析

快速切換過(guò)程涉及到的開(kāi)關(guān)為6103、6203和供電公司6112開(kāi)關(guān)。6103、6203和供電公司6112開(kāi)關(guān)合閘的動(dòng)作順序可以設(shè)置成3種切換方式，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析如下：

（1）并聯(lián)切換方式：按“先合后斷”的原則，先合上備用電源，兩電源短時(shí)并列，然后發(fā)跳閘指令，跳開(kāi)工作電源，但是如果在切換過(guò)程中，機(jī)組或工作電源發(fā)生故障，由于電源的并列，將加劇故障，擴(kuò)大事故范圍，因此，并聯(lián)切換禁止使用于事故切換，但是手動(dòng)切換過(guò)程中仍可能存在上述風(fēng)險(xiǎn)。

（2）串聯(lián)切換方式：按“先斷后合”的原則，先跳開(kāi)工作電源，確認(rèn)工作開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后，再發(fā)合閘指令，將備用電源投入，由于串聯(lián)切換時(shí)間長(zhǎng)，一般都在150ms以上，因此切換時(shí)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備造成的沖擊較大，而且由于允許切換的條件之一是工作電源的成功分閘，其輔助接點(diǎn)的可靠性也是影響成功與否的因素之一。

（3）同時(shí)切換方式：按“同時(shí)斷合”的原則，同時(shí)發(fā)出斷路器的分、合閘指令，系統(tǒng)實(shí)際無(wú)流時(shí)間僅為斷路器合、分閘時(shí)間之差，一般不超過(guò)15ms，所以快速切換可達(dá)到極短的切換時(shí)間，滿足系統(tǒng)對(duì)沖擊電流的要求，切換成功率高，安全性好。

經(jīng)過(guò)3種快速切換方式比較，優(yōu)先選用同時(shí)切換方式，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)正在使用的常用電源掉電時(shí)，通過(guò)快切裝置能夠在15ms以內(nèi)實(shí)現(xiàn)3路電源的快速投入，實(shí)現(xiàn)畢各莊風(fēng)井主扇連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，杜絕礦井停風(fēng)事故的發(fā)生。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在畢各莊風(fēng)井高壓室安裝電源快速切換裝置，實(shí)現(xiàn)了畢各莊風(fēng)井6kV工作主扇風(fēng)機(jī)6kV進(jìn)線或上級(jí)供電系統(tǒng)故障時(shí)的電源快速切換，確保工作主扇風(fēng)機(jī)不因進(jìn)線或其上級(jí)電網(wǎng)故障而停運(yùn)，從而省略了比較耗時(shí)的人工緊急啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)過(guò)程，保證了畢各莊主通風(fēng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

主扇備用電源自動(dòng)切換系統(tǒng)投入后能夠保障主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠，發(fā)生掉電事故后實(shí)現(xiàn)快速切換。結(jié)合近些年，尤其今年以來(lái)因上級(jí)電廠35kV電源波動(dòng)或中斷對(duì)范各莊礦東風(fēng)井、畢各莊風(fēng)井主扇影響，投入自動(dòng)投切系統(tǒng)后，能夠降低受影響危害程度，將主扇電源自動(dòng)快速切換到備用電源上，保證了主扇的正常、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。該項(xiàng)目實(shí)施后，消除了因主扇司機(jī)人員素質(zhì)參差不齊及安全狀況等不穩(wěn)定因素給主扇正常運(yùn)行帶來(lái)的安全隱患，有利于進(jìn)一步通過(guò)技術(shù)手段穩(wěn)定職工隊(duì)伍，具有較大的社會(huì)效益，對(duì)保證礦井安全運(yùn)行具有良好的效果。