煤矿供电系统电源快速切换研究

胡万忠

（开滦能源化工股份有限公司，河北 唐山 063109）

引言

煤矿供电系统是保证矿井安全生产的前提，目前矿井变电站进线采用双回路输电线路供电。理论上讲，可以配置备用电源自投装置实现进线之间和进线与母联之间的电源切换问题。但由于备用自投装置是为没有电动机负载的场合设计的，在煤矿供电系统应用中存在以下问题：

（1）切换时间长，在恢复送电前，主风机可能已经被切除；

（2）无相频检测，冲击电流大，电动机负荷及备用变压器易受冲击损坏或绝缘老化缩短使用寿命；

（3）备自投原理设计不完善，遇到永久性故障，会扩大事故范围。

（4）自投成功率低。在发生越级跳闸特别是越二级跳闸时，装置可能会误动。

由于以上原因，目前多数煤矿系统变电站未配置备自投装置，或即使配置了也未投入使用，仍然采用人工恢复送电的方式。

按照《煤矿安全规程》规定，主扇备用电源应能保证主扇风机在10分钟之内启动和运行，保证正常通风。目前若主扇6kV常用电源因故障掉电后，投入备用电源需人工倒闸操作，期间在人工操作时，熟练司机正常操作时间至少为4～5分钟。如果司机对倒闸操作不熟练，发现事故慢，对事故反应不灵敏，通讯不畅通，那么主扇停运时间会更长，会直接影响矿井通风安全。

1 范各庄煤矿供电系统快速切换方案研究

1.1 技术原理

煤矿接线方式大多采用单母分段方式，接线图可简化如图1-1所示。图中进线1、2可以是线路、主变、线路-变压器组等对母线进行供电的变配电设备的一种。

图1-1 单母分段主接线

系统正常运行时，母线1由进线1供电，母线2由进线2供电。即进线开关1DL、2DL闭合，分段开关3DL断开。主要负荷为异步电动机。

供电系统采用单母线分段供电时，当进线1或进线2发生故障时，保护动作，跳开进线1开关或进线2开关后母线1或母线2失电，电动机将惰行。由于负荷多为异步电动机，对单台电机而言，工作电源切断后电动机定子电流变为零，转子电流逐渐衰减，由于机械惯性，转子转速将从额度值逐渐减速，转子电流磁场将在定子绕组中反向感应电势，形成反馈电压。

图1-2给出了母线残压和备用电源电压角差变化和残压幅值衰减示意图，研究表明，当失电刚发生时，通过控制合闸时的频差和相角差，可以使得电动机绕组承受的冲击电压小于电动机的允许起动电压，即不超过机端额定电压的1.1倍，从而既实现了快速合上备用电源，又避免了对电网和设备的强烈冲击，这就是所谓的“快速切换”，适合快速切换的时机在图中以区域1表示。在区域2，残压与备用电源电压处于第一次相位重合点附近，如果能在此时合闸，则对电动机的冲击也不大，电动机将很快进入稳定点，转入正常运行，这就是“同期捕捉”。

图1-2 母线残压与备用电源角差和幅值示意图

以极坐标形式绘出的失电母线残压相量变化轨迹如图1-3所示。

图1-3 母线残压相量变化轨迹

图中VD为#1母线残压，VS为备用电源电压（即#2母线电压），△U为两个母线间的差压。

在实现快速切换时，母线的电压降落、电动机转速下降都很小，电动机的自起动电流也不大。切换过程中相关的电压、电流录波曲线如图1-4所示。

图1-4 快速切换时的电流电压波形

1.2 快速切换分类

（1）同期捕捉切换

图1-3中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。在C点后至CD段实现的切换以前通常称为“延时切换”或“短延时切换”。因不同的运行工况下频率或相位差的变化速度相差很大，因此用固定延时的办法很不可靠，现在已不再采用。利用快切装置的功能，实时跟踪残压的频差和角差变化，实现C-D段的切换，特别是捕捉反馈电压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就是“同期捕捉切换”。

在同期判别过程中，计算出备用电源电压与残压之间相角差速度及加速度，按照设定的备用电源开关的合闸时间进行计算得出合闸提前量，从而保障了在残压与目标电压在第一次相位重合时合闸。减少了对旋转负载的冲击。采用同期判别切换可以控制对电动机的冲击，但由于需要等待电机残压与备用母线电压相位差较小的时刻，供电中断时间约为0.4～0.6s。

同期捕捉切换过程中，相关的电压电流录波曲线如图1-5所示。

图1-5 同期捕捉切换时的电流电压波形

（2）残压切换

当母线电压衰减到20%-40%额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自起动成功与否、自起动时间等都将受到较大限制。

该切换可作为快速切换及同期判别功能的后备，以提高切换的成功率。残压切换的判据比较简单，不需要检测备用电源电压与母线残压之间的相角差，故只需设定最大允许残压定值。

（3）长延时切换

当某些情况下，母线上的残压有可能不易衰减，此时如残压定值设置不当，可能会推迟或不再进行合闸操作。或者当备用侧容量不足以承担全部负载，甚至不足以承担通过残压切换过去的负载的自起动时。只能考虑长延时切换。传统的备自投回路是依靠电磁式继电器的接点动作来启动的，其主要缺点有切换动作时间长，切换成功率低，以及冲击电流大等等，而快切装置却正好可以弥补以上所说的几项不足。

2 快切装置应用

2.1 快切装置的应用条件

（1）应具备两个独立供电电源：工作电源和备用电源，两个开关电源闭锁；正常运行时，两电源电压之间允许一定的相角差，但一般不宜大于20°。

（2）应配置有快速断路器：少油式断路器因其合分闸时间较长，不适合应用于厂用电系统的切换。而目前大范围应用的真空断路器，其动作时间一般在40～80ms，适用于快速切换。

（3）发电机组和厂用工作电源应配备快速动作保护继电器，目前广泛使用的微机保护继电器均可使用,作为以上三种切换的总后备。

2.2 范各庄矿快切装置的应用实例

2.2.1 毕各庄风井现有配电室现状简介

现场安装有8台KYN28A高压配电柜，原有2条电源进线来自上级同一个变电站的2个母线（开滦林西热电公司），两条进线操作号分别为6103、6203。

正常情况下，运行方式为母联开口冷备用，两条进线电源分列运行，2台风机只有1台在运行状态，2条常用电源进线任意一条均可带全部母线负荷。当任何一条进线电源出现跳闸断电事故时，由现场风车司机手动恢复送电，操作用时至少为4～5分钟，恢复主扇通风时间较长。

2.2.2 毕各庄风井快切装置实施方案

图2-1为毕各庄风井高压室完善系统简化图，通过完善毕各庄风井高压室并安装电源快速切换装置，用以实现风井6kV工作主扇风机6kV进线或上级供电系统故障时的电源快速切换，确保工作主扇风机不因进线或其上级电网故障而停运，从而省略了比较耗时的人工紧急启动备用风机过程。

图2-1 毕各庄风井高压室完善系统简化图

考虑到毕各庄风井现有的2路电厂6kV进线电源上级35kV线路全停时，无法在短时间内启动主扇风机，在毕各庄风井内需新建1个配电室、原配电室2#进线母线段新增1台高压柜、1台S11-M-400/6/0.4变压器、2台低压开关柜，新建配电室包括安装5台6kV开关柜、1台S11-M-400/6/0.4变压器、2台低压开关柜。同时由毕各庄变电站至风井新配电室敷设300米MYJV22-6/6-3×185高压电缆，增加1路供电局6kV电源进线。

实现2路电厂6kV进线电源的闭锁快速切换，其中6kV母联开关合闸运行，2路电厂6kV电源闭锁互切。电厂系统母线段联络开关与供电局系统母线段联络开关合闸运行，井下供电局来线6112开关手车拉出（此手车进出为电动），与电厂两路进线开关状态闭锁。当2路电厂6kV电源同时失压时，先断开2路电厂进线开关，使用备自投电动推入1路供电局6kV电源手车后，投入供电局来线电源。

2路电厂6kV电源与1路供电局6kV电源闭锁，能够防止6kV进线电源误合环发生供电事故。同时在检修状态下，可以退出快速切换功能。

2.2.3 毕各庄风井快切装置优先选用分析

快速切换过程涉及到的开关为6103、6203和供电公司6112开关。6103、6203和供电公司6112开关合闸的动作顺序可以设置成3种切换方式，优缺点对比分析如下：

（1）并联切换方式：按“先合后断”的原则，先合上备用电源，两电源短时并列，然后发跳闸指令，跳开工作电源，但是如果在切换过程中，机组或工作电源发生故障，由于电源的并列，将加剧故障，扩大事故范围，因此，并联切换禁止使用于事故切换，但是手动切换过程中仍可能存在上述风险。

（2）串联切换方式：按“先断后合”的原则，先跳开工作电源，确认工作开关跳开后，再发合闸指令，将备用电源投入，由于串联切换时间长，一般都在150ms以上，因此切换时对系统和设备造成的冲击较大，而且由于允许切换的条件之一是工作电源的成功分闸，其辅助接点的可靠性也是影响成功与否的因素之一。

（3）同时切换方式：按“同时断合”的原则，同时发出断路器的分、合闸指令，系统实际无流时间仅为断路器合、分闸时间之差，一般不超过15ms，所以快速切换可达到极短的切换时间，满足系统对冲击电流的要求，切换成功率高，安全性好。

经过3种快速切换方式比较，优先选用同时切换方式，能够实现当正在使用的常用电源掉电时，通过快切装置能够在15ms以内实现3路电源的快速投入，实现毕各庄风井主扇连续运转，杜绝矿井停风事故的发生。

3 现场应用效果

在毕各庄风井高压室安装电源快速切换装置，实现了毕各庄风井6kV工作主扇风机6kV进线或上级供电系统故障时的电源快速切换，确保工作主扇风机不因进线或其上级电网故障而停运，从而省略了比较耗时的人工紧急启动备用风机过程，保证了毕各庄主通风连续运转。

4 结语

主扇备用电源自动切换系统投入后能够保障主扇风机运行可靠，发生掉电事故后实现快速切换。结合近些年，尤其今年以来因上级电厂35kV电源波动或中断对范各庄矿东风井、毕各庄风井主扇影响，投入自动投切系统后，能够降低受影响危害程度，将主扇电源自动快速切换到备用电源上，保证了主扇的正常、连续运转。该项目实施后，消除了因主扇司机人员素质参差不齐及安全状况等不稳定因素给主扇正常运行带来的安全隐患，有利于进一步通过技术手段稳定职工队伍，具有较大的社会效益，对保证矿井安全运行具有良好的效果。