煤矿井下供电保护系统的分析与研究

煤矿井下供电保护系统的分析与研究

李满意

河南焦煤集团赵固一矿  453000

摘要：本文着重阐述了目前矿井供电系统中出现的一些问题，并进行了详细的剖析，就如何采取相应的措施来处理这一问题进行了讨论。要加强对矿井下供电系统的研究，保证矿井下供电系统的安全可靠，加强矿井下供电的安全性，能够为矿井下的工作打下坚实的基础，保证矿井下工人的生命安全，使矿井的生产效率达到最大。

关键词：煤矿井下；供电系统；供电保护设施

引言

随着中国近几年的社会和经济快速发展，煤炭工业也得到了快速发展并获得了较好的成果。既有新的发展机会，又有新的发展方向。要想在日趋激烈的煤炭开采中占有更大的市场，就必须加强煤炭开采的经营，不仅要使煤炭开采的效益得到充分发挥，而且要使煤炭开采得到充分的利用；另一方面，既要保证工作人员的生命安全，也要避免出现矿井安全事故，避免造成严重的后果。矿井供电系统的好坏直接关系到矿井的总体收益，因此对供电系统的好坏应给予足够的关注。要根据矿井供电系统中易发生的各种问题，特别是“越线”现象，采取相应的对策，保证矿井供电系统的安全；为矿井的正常运行，提供了一个关键的保证，促进了矿井事业的可持续发展。

一、煤矿井下安全供电重要性

矿山供电系统的主要组成是供电电源、电网和用电设备，其中电网是供电的运输和控制通道，用电设备是指所有接入电网的电气设备。

矿井是由掘进、回采、瓦斯抽采组成的一个整体。矿井采掘是一个庞大的系统工程，其电网的稳定性对于矿井的生产和生产有着重大的影响。在生产实践中，供电系统的故障往往会引起供电网络和设备漏电、突然停电、设备超负荷运行等现象，若操作不当，还会引起煤尘瓦斯爆炸、水害、火灾以及人身触电等现象，而且，对上述现象的预测和预报工作也会对矿井的稳定供电产生一定的影响。资料显示，在我国，发生瓦斯事故的50%-65%，突发停电事故的40%-45%，人身接触事故的35%-40%。因为矿井的周围是一个非常复杂的、变化的、不确定的环境，所以矿井的通风、排水和交通都需要依靠可靠的供电。

二、煤矿井下供电系统分析

2.1、煤矿井下供电系统特征

供电供应系统由配电柜，输送电缆，用户进线的主配电柜组成。在煤炭开采过程中，将煤炭开采过程中所有的供电设施连接起来，形成了一套完整的供电系统。然而，由于矿山中的各类用电设备具有各自的用电特征，因此就会呈现出接头多、规格型号多、敷设方式复杂等特征，而越是复杂的系统结构，通常就越是会由于多个方面的原因而导致出现故障。

2.2、煤矿井下供电系统的常见故障

从煤矿中供电机械的实际工作状况来看，供电系统中最容易出现的故障有：

①指有漏电的情况。在供电系统中，漏电和过电流是很普遍的现象。比如，在电线或者电气设备的绝缘体被损坏的时候，电源和地面组成了一个回路，就会产生过漏电。

②是过电流，它是指在电缆和电器中流动的电流超出了规定的范围，从而造成了短路、断相等现象。

三、当下煤矿井下供电系统中存在的问题

3.1 供电系统电能质量不高

当前，在科技的大力发展下，煤炭开采中所采用的机电装备的水平逐渐提高，其自动化程度也在不断提高，从而极大地提高了煤炭的采掘工作效率；但是伴随而来的问题是，机械设备的功率变得越来越大，它所产生的谐波成分会对供电系统的电能品质造成严重的影响，对煤炭开采设备的正常使用造成不利的影响，同时也会给供电系统留下一些安全隐患。

3.2 未建立健全的自动化监测系统

一些地方由于自身的经济状况，不重视科技的研发，导致在矿井中没有形成完善的自动监控体系，不能对矿井中的机械设备进行有效的监控；对供电系统的真实状况很难控制，因为工作人员不能获得实时数据，所以不能及时地发现供电系统中出现的问题，很难保证供电系统的正常运转。

3.3 主变压器容量不足

由于矿井建设项目越来越多，目前的供电供应体系已不能适应目前的需要，需要对其进行进一步的优化与改造。如果变电所的主、分变压器长期处在饱和的情况下，不仅会严重地损害变电所的工作寿命，而且还会严重地损害电网的安全运行，极易引起重大安全事件。

3.4 违规使用设备

在一些煤炭企业中，依然存在着违法使用供电设备的情况，例如，明确地要求不能使用空气开关，但是，还是有一些煤炭开采工程在使用。

四、现阶段煤矿井下供电系统越级跳闸的原因

4.1 继电保护问题

在矿井供电供应系统中，其线路的长度一般不超过2 km，不能算是很长，当该线路出现故障时，其两端的电流数值不会有很大的差别；所以，在安装继电器时，要保证继电器的稳定、可靠，不然会对供电系统的正常运转造成不利的后果。目前，单纯从矿井供电线路头尾处的电流大小来判定其是否发生了故障，难以得到精确的结果，因此，常规三级过流保护法不能充分发挥其作用，不能实现对供电系统的保护。目前，大多数的煤炭公司都采用了分段延迟保护的方法对供电系统进行维修，但是这种方法存在着很大的缺陷，即极易发生“越级”跳闸等问题。以纵差法为例子，它广泛应用于某些长程供电供应系统，当它用于矿井供电系统时，可以起到对总压降的保护作用；但是，当电源发生短路时，各支路上的各开关将发生跳闸，而总开关不会发生，这将导致供电系统在没有发生故障时不能正常运转；在发生断电时，也很难避免越线跳闸。

4.2 开关控制电源问题

矿井供电系统中未设置专用的防爆开关电源，且缺少后备电源。主电路的供电端是对开关与保护设备进行控制的关键，所以，如果主电路发生了短路，或者发生了失压与电压波动，就必须采取一种有效的措施对其进行保护与监控，但是，因为该保护设备的供电是从主电路供电，所以当主电路发生故障时，它不能正常工作，所以很可能会发生越线的情况。

4.3 失压保护方式问题

大部分的煤炭公司在进行矿井下供电系统的设计时，都会将欠压解扣器安装在高爆电源开关上，就像图1中所显示的那样，在欠压值超出了标称电压值的85%的时候，它就会进行吸合。若此低压值超过或等于额定电压65%，此低压释放设备将被置于真空中。当低压值低于额定电压35%时，这种低压释放设备被释放。但是，在电网发生35-65%的故障情况下，欠压补偿装置无法调整其工作延迟时间，导致其在电网发生故障时无法发挥作用，极易造成“越级”跳闸。另外，在输电线路发生故障时，如果发生在母线附近，还会引起母线电压急剧降低，导致过电流短路。

图1 欠压脱扣器实物图

4.4 供电保护设施问题

在煤炭开采过程中，矿井供电设备是必不可少的一环。然而，因为供电设备的特殊环境和大量使用，越线动作的问题也经常出现。根据研究，矿井供电设备越线动作主要由于自身缺陷引起，这是供电设备运行过程中的一个普遍问题。

同时，煤炭井下供电设备的安全保护设备品质良莠不齐，也是导致越线动作的原因之一。这些安全保护设备是保障矿井供电设备安全运行的关键部件，但由于市场上存在着品质参差不齐的安全保护设备，选用品质较差设备会导致防护效果不能起到应有的效果。与此同时，不同品质的高爆开关具有不同的特性。高爆开关是一种保护供电系统的重要装置，能在供电系统短路时迅速切断电路，保护设备和人员的安全。但是，品质较差的高爆开关在供电系统短路时无法发挥保护装置功能，导致越级跳闸，影响矿井供电设备的正常运行。解决这些问题的关键在于选购高品质的矿井供电设备和安全保护设备。高品质的供电设备和安全保护设备都拥有更好的防护性能和更长的使用寿命，有效避免了越线动作的发生。同时，选购高品质的高爆开关也能更好地保障供电系统的安全运行。矿井供电设备越线动作是一个常见的问题，主要由于自身缺陷和品质参差不齐的安全保护设备所导致。选购高品质的供电设备和安全保护设备，以及高品质的高爆开关，是避免越线动作的关键措施。只有这样，才能确保矿井供电设备的安全运行和人员的安全。

4.5 漏电保护装置问题

有关标准中有明文规定，高压供电网要对单相接地电容进行约束，其电流不能大于20 A，但是在矿井中，由于受到复杂地形的影响，所设计的供电供应系统的构造比较复杂；大多数情况下，都是采取了功率选择性措施来进行保护，这就造成了供电系统的工作过程中，受到了比较严重的谐波的影响。

五、煤矿供电保护系统技术改造方案

5.1供电保护系统技术改造方案概述

对供电和防护进行了技术改进，采用了“点对点”的光纤网络，确保了供电系统的实时工作资料能够被整个站点所分享，确保了每一个采场的安全；变电站内的所有高爆开关对应的模拟量和开关量等数据信息都被集中到了井上控制系统中的测控设备上，因此，可以确保保护测控设备能够实时地与特定数据进行保护匹配。将3条供电线与多条供电线之间的间隔看成是一个比较大的节点，根据这个节点的大小，运用基尔霍夫定理来判断该间隔的电源是否处于一个均衡状态，并根据这个均衡状态来判断故障出现在哪里。确保在存在馈线故障时，联络线是可靠的，不会有动作，从而避免了越级跳闸。在此基础上，提出了一种新的供电保护装置的改进方法。在采空区各变电站的进线高开度内侧安装对应的保护器，保证线路中电流数据、电压数据、开入量数据等数据的数字化转换，并通过点对点的光纤局域网将相关数据信息传送给1#和2#变电站中的光学信号传送接口，并接收由矿井中的测量和控制设备发送的输出指令，保证切换装置的实时运行，保证切换器可以精确地实现跳闸、合闸等动作。测控设备根据所收到的相关数据信息，进行逻辑运算，并通过隔爆类型的光传输接口装置，将所做出的相关控制命令下达给各保护装置，以保证对供电系统的精确保护。

5.2供电保护系统技术改造方案实施

本次技术改造方案是针对煤矿供电保护系统进行的全数字改造方案。为解决作业面供电系统和易发生跳闸问题的6 kV供电线路，智能保护装置被设置。同时，光纤局域网被利用，实现数据信息实时共享，从而更好地确保煤矿供电保护系统的安全和稳定性。为了更好地实现保护工作原则，本次方案设置了双侧差动保护装置和3端供电线路的差动保护装置、母线差动保护装置以及过流速断保护装置。这些装置的设置，可以在保护煤矿供电的同时，够有效地保护人员的生命财产安全，最大限度地避免了因供电故障而引发的事故。具体方案如下图所示，通过图示，可以更直观地了解本次技术改造方案。同时，这也为后续的维护提供了方便，更加方便地进行故障诊断和维修。本次技术改造方案的成功实施，为煤矿供电保护系统的安全和稳定性提供了更加坚实的保障。同时，也为煤矿的生产和发展提供了更加有力的支撑。

依照煤矿目前供电系统实际情况，此次所进行的供电保护系统改造具体方案如图2所示

图2供电保护系统改造具体方案

本项目针对矿山供电保护系统的改造确保了各类保护设备均具备相对准确的操作控制范围，在供电系统中出现相应的故障时，保护均能根据最小断电区域这一保护原则进行操作，并能实现全数字控制。确保对供电系统的保护具有更大的灵活性，能够有效地解决煤矿供电系统中出现的越级跳闸故障问题。

六、煤矿供电保护系统技术改造实际效果

煤矿是我国重要的能源资源，而煤矿井下作业环境复杂，供电系统易受外界因素干扰导致故障问题。供电系统故障会严重影响煤矿正常开采作业，对井下作业人员人身安全造成威胁。因此，煤矿供电保护系统的运作质量十分关键。

为了改善煤矿供电保护系统的运行质量，煤矿采取了多项措施。首先，煤矿建立了防越级跳闸保护系统，通过设备技术升级，有效避免了供电设备的跳闸问题，减少了设备的故障率。其次，煤矿对供电保护系统进行了改造，增加了故障检测和报警装置，实现了对供电系统的多方面保护。经过改造的供电保护系统运行稳定，日常维护作业较为简便，能有效保护供电系统。经过煤矿的实践验证，改造后的供电保护系统运行效果良好，能够有效保障煤矿的供电安全。因此，这种供电保护系统值得其他煤矿推动应用。同时，随着技术的不断进步，煤矿供电保护系统也将不断地得到完善和升级，以更好地保障煤矿的生产安全和生产效率。

结束语

由于矿井下的工作环境比较复杂，而且在工作的时候，供电系统也会被许多外部因素所影响，这就很容易造成供电系统的问题。如果供电系统发生故障，将会对矿井的正常采矿作业产生严重的影响，甚至会导致井下瓦斯的积累，给井下工作人员的生命带来巨大的危险。针对矿井供电系统中存在的问题，根据矿井供电系统中存在的问题，提出了改进措施，提高了矿井供电系统中的安全性能。在对该供电保护系统进行了改进之后，它的工作是非常稳定的，它的日常维修操作也是非常简单的，它可以对供电系统展开有效的保护，并获得了很好的运行结果；它值得在其它矿井中推广和使用。。

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作者简介：李满意，河南焦煤集团赵固一矿，453000，1970.11.02，籍贯：河南原阳。