煤矿供电保护系统技术的改造研究

摘要：随着社会对煤矿资源需求量的与日俱增，在做好煤矿企业的日常管理工作外，还必须保证煤矿供电系统的安全。煤矿的供电保护系统是煤矿企业正常运营的关键点，只有不断对改进供电系统的技术加强研究，才能牢牢把握住煤矿企业的生存发展，这对煤矿企业的供电技术安全来说有着重要的实际意义。

关键词：煤矿企业；供电保护；系统改造；越级跳闸；误动作 文献标识码：A

中图分类号：TM764 文章编号：1009-2374（2015）24-0152-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.075

为了提高矿井采煤工作的安全系数，避免因供电问题而引发的安全事故，相关煤矿企业部门应该采取科学合理的管理措施，不断改进煤矿供电系统的安全技术。本文主要以煤矿供电保护系统的安全为主线，结合自身的工作实践和相关的工作经验，系统地阐述了煤矿供电保护系统的改造研究技术。

1 煤矿供电保护的现状

整个煤矿行业的高效安全生产对供电系统提出了一系列更高的要求。由于煤矿采煤的工作面不断扩大，使得供电线路不断深入矿井末端，在矿井底层的恶劣环境下，供电线路的安全也不断受到影响。目前，大多数煤矿企业都出现了越级跳闸、保护装置不完善、误动作增加、保护装置的通讯能力下降等问题，严重威胁着煤矿供电系统的安全。

1.1 越级跳闸的线路问题

当前的煤矿企业供电系统大多都存在失压保护零时延以及速断电路的过流保护定值无法固定等问题，这些问题直接影响了煤矿企业安全高效的正常采煤工作，甚至出现供电系统过流、漏电以及短路的问题，特别是供电系统的越级跳闸问题，极大地威胁着煤矿的安全运营。越级跳闸是由于煤矿井下的失压保护动作不能整定，加上母线上的其他开关正好位于母线与馈线距离段上，一旦保护器的时延为零，就会引起母线上的其他开关出现失压保护误动作，也就造成了供电系统的越级跳闸。因为矿井内环境复杂，无法将线路整定保护定值，又缺乏相应的最小保护范围，这就使供电系统的主保护失去全面控制，一旦矿井线路出现短路，速断过流保护又无法及时控制，就会出现越级跳闸，导致煤矿的供电系统瘫痪，影响采煤工作的进度。

1.2 误动作的产生

误动作的产生也是煤矿供电系统经常出现的问题，一般情况下，如果供电系统的漏电保护功能失控，其本身所具有的抗电磁干扰能力就会下降，进而引起数据传输和处理数据的速度变慢，在矿井环境下，一旦出现漏电或者电缆接地的现象，就会导致供电系统的上下级零序电流支路无法固定在稳定的范围内，进而产生误动作。误动作的产生使煤矿供电系统的漏电保护功能无法集中选线功能，并且也在一定程度上影响整个线路的恢复，对煤矿企业的正常产煤工作造成了效益上的损失。

1.3 保护装置的功能不健全

煤矿企业的供电系统结构复杂，每一个环节出错都会影响整个供电系统的安全。当前我国的很多煤矿企业在供电保护装置上都出现设置简单、功能不健全的问题，这些供电系统的保护功能或者其他功能，是实现供电系统改造的关键。比如，煤矿企业的通讯功能，如果此功能丧失就会导致供电保护装置的遥控、遥信、遥脉以及遥测等功能的缺失，由于通讯装置是矿井采煤工作不可或缺的重要环节，所以就必须及时安排值班人员进行及时处理，不但影响了煤矿工作的正常进度，还在一定程度上增加了工作人员的压力。再例如，如果缺失了故障的录波功能，将会直接影响故障数据收集的不全面，导致对故障录波的分析不到位。所以，供电系统的保护装置对整个煤矿企业正常运营来说也是至关重要的，必须建立完善全面的供电系统保护装置。

2 提升煤矿企业供电系统安全性的策略

众所周知，煤矿工作的矿井环境恶劣，并且在矿井中存在很多的易燃易爆物质，包括大量的煤尘和瓦斯，所以，如果供电系统出现问题，导致有短路或者明火产生时，就非常容易引起瓦斯爆炸，对煤矿工作的正常进行产生极大的安全隐患。

2.1 提高煤矿供电系统的可靠性

对于煤矿的供电系统安全可靠性来说，最主要的是要保证矿井的供电正常并且可以持续供电，要想确保煤矿企业的持续供电，就必须设置矿井下的两回源线路供电，将这里的两回源线路分别从不同的变电所或者发电厂引出，避免两个电源同时出现断电，一旦矿井断电，就会影响矿井的正常运作，甚至威胁到矿井里面工作人员的生命安全以及工作设备的损坏，所以备用两个电源将会在很大程度上提高供电系统的可靠性，另外，无论是哪一个电源都应该保证电源的电容能够满足矿井整个工作用电负荷的需要。煤矿企业的供电系统需要一个绝对安全的保证，所以还可以与煤矿附近的发电厂形成合作关系，在发电厂与煤矿企业之间设置故障应急措施，在煤矿的供电系统安全工作中多加一层防护。

2.2 保证煤矿企业供电系统的健全

煤矿企业的供电保护是保证整个用电安全的关键，特别是低压供电保护系统，应该严格按照分级闭锁和选择性断电的基本原则，在进行保护设计和低压供电技术的进一步改造中，要尽量体现供电系统的节能型和经济性，适当选择新断电控制，以便更加稳固煤矿中一系列机电设施的高效应用性，全方位健全低压继电保护装置，避免煤矿操作工人由于意外不当操作引发安全事故。

2.3 煤矿供电系统越级跳闸的解决方案

科学合理的构建防越级跳闸保护系统是确保煤矿工作人员生命安全与煤矿企业可持续发展的重要手段。煤矿供电防越级跳闸保护系统具有高安全性、高性能、高稳定性等优点，是进行全站网络数据共享的数字改革供电保护系统，能最大效度地解决煤矿供电系统中的越级跳闸问题，该系统的线路是通过点对点光纤保护通信网络的差动保护光纤模式。这样科学合理的越级跳闸保护系统，在一定程度上开辟了煤矿供电保护的新征程，也极大地提高了煤矿企业用电的可靠性和安全性。

2.3.1 数字式光纤差动保护原理与稳定机制。数字式光纤差动保护原理是从两个角度进行分析的，一是瞬时采样值的差动电流保护，它的主要功能是分辨故障是在哪个发生区，二是故障分量电流差动保护，通过一定的判断形成差动保护，如果假设i1和i2分别表示线路两端的电流瞬时值，将整定值设为I，制动系数为K。那么，整个的电路保护自动方程式就可以表示为|i1+i2|>I以及|i1+i2|>K|i1-i2|。要使保护系统的制动保护效果达到最佳状态，就必须满足瞬时采用值电流差动保护采用盘踞窗大于90度的标准。

2.3.2 小电流的接地选线功能。该方法主要是采用消弧线圈并联中值电阻，一般分为主动式选线和被动式选线两种，前者又包括消弧圈并联中值电阻法、残留增量法以及注入法。通过改变供电系统的运行方式或者结构。后者由于存在理论上的争论，在实际的煤矿保护系统设计中不经常使用。消弧线圈并联中值法的工作原理是：在供电保护系统处于正常状态下，中值电阻不会投入系统，但是会在一定程度上受到感性电流和与其相等的容性电流的影响，出于消弧线圈的跟踪影响，导致感性电流与容性电流相反。当出现单线电弧的电流接地故障时，可通过消弧线圈的跟踪作用，是电弧熄灭，引起故障点的电流快速减少，最终故障消失。当出现永久性接地故障时，结合消弧线圈的跟踪作用，致使中值电阻的投入时间缩短，可以较明确分辨非故障电路与故障电路，便于选线。

2.3.3 差动保护运行存在的问题以及解决方案。一般情况下，差动运行过程中存在的问题有CT饱和、误码校验、电容电流问题以及同步化处理等问题。CT断线与CT饱和问题在本质上是不同的，一旦出现误动作，也许不是CT断线引起的，但是可能是发生在区外故障引起的误动作，所以，煤矿企业的供电故障排查一般依据较为成熟的CT断线检测CT是否出现断线。针对弱馈问题，可以设置一个低压辅助启动软件，当气动元件的定值高于供电系统的电压，非弱馈侧就会通过驱动电流差动保护出口，进一步解决故障的问题。

数字式光纤差动防越级跳闸保护系统，由于设备功能齐全，运行稳定，可以很大比例上避免跳闸发生，所以在提升了煤矿供电系统的安全性和可靠性上，进一步提高了煤矿企业的经济效益。

3 煤矿供电系统的监控系统

3.1 监控系统的结构与功能

煤矿供电系统的监控系统一般由监测与保护装置、监控中心、通信传输网络组成，首先，监测与保护装置主要是为了防护矿井下防爆开关以及矿井上微机保护开关。其次，就是由光纤环网交换机、光缆电缆以及监控分站构成的通信传输网络。最后，关于监控中心的结构，是由UPS电源、操作软件和打印机等硬件组合而成。

供电系统的监控功能是通过实时数据和收集和显示，以曲线或者图表的形式展示出各开关的变化情况。监控中心还可以实现远程监控，即使无人值守，也能及时掌握电气设备的情况。一旦电路发生故障，可以迅速准确辨别故障位置，以最快时间实现人员撤离，保证煤矿工作人员的生命安全。

3.2 供电监控系统的发展趋势

随着社会科学技术的不断发展，煤矿供电监控系统也正逐渐朝着智能化发展，不仅具备报警、查询、“四遥”等功能，还增加了防越级跳闸、故障诊断以及预测方面的功能。这里着重介绍一下供电监控系统的故障诊断和预警功能。

煤矿供电系统的监测和预警功能对煤矿企业的正常运营起着至关重要的作用，也是今后监控系统技术改造的重点研究方向，通过对各种电气设备数据的积累分析，结合智能化的数据库技术，已经能实现设备的实时监控，比如，煤矿上的高压电缆监测与故障诊断预警设备，可以通过监控系统监测电缆的绝缘问题，根据运行状态预防故障的发生。并且，随着Petri网、遗传算法、模糊理论、人工神经网络等故障诊断应用，将诊断的准确率大大提高。

在不断改善的诊断过程中，粗糙集理论与希尔伯特-黄变换相结合的诊断方法，在煤矿供电系统中起着更加精准的诊断作用，能够快速对电路中的短路、断路、电磁谐振等进行准确而快速的诊断。

4 煤矿供电保护系统的改进策略

4.1 健全供电继电保护系统

4.1.1 加强继电保护装置。矿井中的电路环境有限，底层的低压电路需要对电动机的控制设备进行直接供电，这就需要对供电系统进行电流负荷保护、漏电闭锁保护、短路控制以及远程控制等。关于矿井下的高压电动机，为了满足变压器中的高压控制，也应该具备短路、过负荷、欠压释放保护、接地等保护措施。

4.1.2 不断引进先进的科学技术。在煤矿产业日益繁荣发展的今天，我们不仅仅关注煤矿企业的高产量生产，还要更加注重煤矿管理中的科学技术应用，全面保护煤矿各项工作的顺利进行，保证煤矿工人的生命财产安全。通过不断引进先进的科学技术，积极改进煤矿供电保护系统，并实施到煤矿的正常运营中，减少煤矿供电系统故障的频繁发生，避免安全事故发生。

4.1.3 配备短路、过流保护装置。煤矿企业可以根据矿井作业的实际情况，选择有针对性的继电保护装置，但是必须配备电网中最大的三相短路电流验证开关设备，选择合适的熔断器，避免事故发生时熔断器不熔的现象，对设备的启动和故障保护装置要进行准确的校准，确保稳定可靠的动作系数，选用具有快速分断功能的开关设备，保证超大容量的电气设备及时准确的启动。

4.1.4 在电气装置引入监测系统。在煤矿企业中，较为保险的电气设备运行是需要引入监测系统的。在对电气装置和矿井电网进行监测的过程中，结合监测系统显示出的正确数据可对供电系统的故障和故障原因以及故障位置进行合理推测，进而较快速的发现故障并及时处理故障，降低了煤矿企业电气设备的损坏，相对应提高了煤矿的生产效率。

4.1.5 优化布设实施。优化布设对矿井供电的稳定性和安全性是非常重要的，也是煤矿供电保护系统改进技术中不可或缺的。一般情况下，对供电系统实施调整、分段供电、提高矿井供电电压以及完善相关设施设备等，都是优化布设实施的必要过程，对煤矿企业的供电系统安全性和可靠性起着非常关键的作用。

4.1.6 检修和维护供电装置。检修和维护供电装置是煤矿企业供电系统保护中不应忽视的一个重要环节。及时检修不合格或者老化的电气设备和线路等，可以在提高供电设备的安全性，矿井的供电系统装置一般都是有使用年限的，并且在矿井下存在较快速的磨损与消耗，需要经常关注供电设备以及电路系统的调整与升级，及时完善必要的检修维护，保证供电设备的良好性能。比如，如果在供电保护系统的检修过程中，发现矿井的防爆电气设备损坏或者性能降低，那就必须与设备管理部门及时联系，并在最短的时间内完成损坏设备的更换，减少装置出现故障的频率，保证矿井供电系统的正常工作，促进煤矿企业的快速发展。

4.2 矿井下供电系统的优化

矿井供电系统的优化采用了供电的双回路模式，不仅可以达到采煤、挖掘与运输等环节之间的独立运行供电，还保证了煤矿工作的产煤效率。除此之外，优化模式还包括高压深入采煤区域以及双风机双电源的供电系统，从根源上防止了大面积的井下断电，为煤矿企业的发展提供了极大生产便利。

4.2.1 采取采、掘供电分开模式。在煤矿的采矿生产中，矿井下采煤和挖掘等辅助运输过程相互之间存在一定的影响。一旦出现供电问题，就会导致“井下停电，影响一片”的后果，所以在优化矿井的供电系统时，应该合理规划采煤、挖掘与运输之间的供电模式，适当考虑从发电厂开始，进行分开供电模式，减少矿井开采的众多环节之间的相互影响，采用各电源设备负荷专用配电开关，确保独立供电，即使采煤工作的其中一个环节停电，也不影响其他环节的正常工作。

4.2.2 高压深入采煤区域。由于综合采煤机组和机组相关运输设备的功率都较大，消耗更多的电能和压力，所以应该进行合理调整，实现移动变电站和供电设备开关两者共同构成的电压设备，完善电压协同工作模式，避免由于电气设备过流保护不当引起的断电现象。同时，也可以借鉴新型的移动变电站方式，以电荷大小朝向中心电荷移动，保证供电系统的正常使用。

4.2.3 掘进工作面采用双风机双电源。在掘进工作面采用双风机可以解决无计划停风的问题，使用双电源可以在很大程度上保证双风机持续不断供电。在持续供电供风的条件下，可以实现矿井挖掘工作的高效率生产，另外，双风机与双电源共同支持挖掘工作，可以给设备检修人员提供便利，对设备的维护工作也起到了积极的促进作用。

5 结语

综上所述，煤矿企业在优化供电设施的同时，应该结合煤矿企业的实际发展趋势以及矿井下面的运行状况，统筹整个供电系统并着眼于每一个煤矿供电的细节问题，以最大的效率完成科学合理的改进设计，不仅要保证煤矿工人的生命安全，还要兼顾煤矿企业实现最大经济效益，促进整个煤矿行业的快速、安全、可持续的发展。

参考文献

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作者简介：刘会军（1974-），男，湖北鄂州人，神华新疆能源有限责任公司工程师，研究方向：电气自动化。

（责任编辑：蒋建华）