煤矿变电站单母线分三段设计辨析

周在阳，吴 振，张 滇，李鹏云

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054;2.西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

近年来，煤矿变电站设计方案中越来越多的选择安装3台变压器，正常运行时2台运行1台备用。为保证煤矿变电站内1台主变检修或故障时，其余变压器的容量应能保证主变压器的一级和二级负荷用电，且保证1条母线故障时，不能影响2台主变压器的正常运行，因此单母线分2段接线、内桥接线等电气主接线方式已不满足煤矿供电要求，需采用可靠、灵活、经济的电气主接线形式。本文主要研究2条进线3台变压器配置的煤矿变电站的电气主接线方式，并针对单母线分3段接线形式，着重探讨电压互感器的并列和切换、备自投(备用电源自动投入使用装置的简称)等回路的设计问题和解决措施，对今后的设计工作起到指导和借鉴作用。

1 2条进线3台变压器的变电站主接线方式选择

《煤炭工业矿井设计规范》第12.2.2条规定矿井应由双重电源供电，当一电源中断供电时，另一电源不应同时受到损坏；第12.5.3条规定矿井地面主变电所主变压器不应少于2台，当1台停止运行时，其余变压器的容量应保证主变压器的一级和二级负荷用电[1]。这就要求煤矿变电站的设计至少要保证2回电源进线和2台主变压器，且要求电源进线、主变压器的事故保证率为100%。

选择3台变压器，正常运行时2台运行1台备用，与2台变压器的变电站相比，单台变压器的容量要小的多。按照事故保证率100%考虑，假设3台变压器配置的变电站需2台变压器承担100%的负荷，2台变压器配置的变电站在事故情况下1台变压器承担100%的负荷，则3台变压器配置的变电站内单台变压器的容量选择仅为2台变压器配置的变电站中单台变压器容量的50%，且变压器能在经济负荷率下运行，若1台变压器检修或故障，不会间断供电，供电可靠性较高，并可以根据负荷增长分期建设第3台变压器，经济性较好。若选择2台变压器，当一台变压器检修或故障时，另一台变压器需满负荷运行，导致变压器运行经济性变差，因此3台变压器的模式在煤炭变电站中的应用越来越多。

方案1：双母线接线形式[2]。每一回路都经1台断路器和2组隔离开关分别与2组母线连接，母线之间通过母线联络断路器连接；可靠性和灵活性大大提高，但是倒闸操作比较复杂，运行中隔离开关作为操作电器，容易发生误操作；且当母线发生故障时，需短时切换较多的电源和负荷，配电装置复杂，投资较多，经济性差；若用于110 kV变电站时可采用双母线电气主接线。

方案2：单母线分3段接线形式。3台变压器分别接入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线上，2条进线分别接在Ⅰ、Ⅲ段母线上，Ⅱ段母线不外接负荷，为节约投资，仅在Ⅰ、Ⅲ段母线上装设电压互感器。此种接线方式在设置3台主变压器的35 kV变电站或110 kV变电站的中低侧应用较多，电气主接线如图1所示。

文中主要讨论单母线分3段接线在煤矿变电站设计中存在的问题和对策。

2 备自投装置在单母线分3段接线的设计

2.1 分段断路器位置及备自投闭锁问题

备自投装置是一种安全自动装置，能有效提高供电可靠性[3]。但备自投装置一旦发生不正确动作，将造成大范围停电事故[4]。因此在设计中应充分考虑单母线分3段接线模式下备自投回路的设计，防止发生备自投装置的不正确动作。

图1 单母线分3段电气主接线Fig.1 Electrical main connection of single busbar in three sections

《煤矿安全规程》(2022)第436条规定正常情况下矿井电源应采用分列运行方式。因此在煤矿变电站设计中优先考虑用分段备自投的方式恢复供电。

对单母线分3段的接线形式，当一条线路检修或其他原因退出运行时，所带的负荷必须由相应的分段断路器转至另一条线路上，这时2个分段断路器在合闸位置，3段母线并列运行。以现有工程为例，备自投装置采用国电南自PSP-641U[5]，备自投接线示意如图2所示。

图2 分段备自投方式示意Fig.2 Schematic diagram of sectional standby automatic switching mode

正常运行时，煤矿变电站单母线分3段接线有3种运行方式：①分段断路器3DL、4DL在分闸位置，1DL、2DL在合闸位置；②分段断路器3DL在分闸位置，1DL、2DL、4DL在合闸位置；③分段断路器4DL在分闸位置，1DL、2DL、3DL在合闸位置。

备自投装置应能适应前述任一种运行方式下的分段备自投功能，若任一条线路故障时，只需要合上处于分闸位置的分段断路器即可恢复供电。因此本备自投的分段断路器位置接入需要把3DL、4DL分段断路器的位置串接，即只有当2个分段断路器均处于合闸位置时备自投装置才放电。

若任一母线发生故障，为防止备自投到故障母线上，造成全站停电，对煤矿安全造成极大影响，应采取措施防止类似事故的发生。若配置有母线差动保护，则母线差动保护动作应闭锁备自投装置；若未配置母线差动保护，一般煤矿变电站的进线侧安装有线路保护装置，可利用相应的进线保护来闭锁备自投[6]。

2.2 备自投跳线路断路器控制回路问题

备自投装置接入断路器控制回路时，备自投跳线路断路器要接在保护跳闸开入位置上，跳线路断路器的同时应闭锁线路重合闸。备自投动作时不能将合后继电器置分位，备自投合分段断路器要接在手合开入接点，动作时将合后继电器置合位。若备自投跳线路断路器时接到了手跳开入位置，备自投采样线路断路器的合后位置开入消失，备自投装置将判断是人工操作，引起备自投装置放电，造成备自投装置拒动。

在PSP-641U备自投装置的动作逻辑中，跳进线开关的同时，开出1付接点接至线路保护闭锁重合闸输入；合分段断路器时，仅有1付分段断路器的合闸接点，为同时实现2个分段断路器的合闸，可采用以下2种方法。

方法一：备自投装置同时输出2付分段断路器的合闸接点，此方法需要与厂家沟通，提供具备该功能的备自投装置。

方法二：采取外置中间继电器拓展2付合闸接点，设计人员在设计时可结合实际情况取舍。

2.3 备自投装置的定值整定问题

除备自投回路接线必须正确外，备自投装置定值的整定也是实现备自投功能的关键，两者不可或缺，需通过传动试验进行验证无误后方可投入。备自投装置的软压板和控制字均按照设定的备自投方式进行整定，其动作时间应大于本级线路电源侧后备保护动作时间，需要考虑重合闸时，还应大于本级线路电源侧后备保护动作时间与线路重合闸时间之和，同时应大于工作电源母线上运行电容器的低压保护动作时间[7]。

3 单母线分3段接线电压回路设计

电压并列装置和电压切换装置都是变电站中的重要装置，电压并列装置在双母线接线、母线分段接线、桥接线等接线方式下，当一母线电压互感器检修时，将两段电压回路并列，保证站内二次设备的电压正常。在双母线接线方式下，电压切换装置可根据母线刀闸的位置，自动切换到相应母线电压互感器的二次电压。近年来，因电压并列、切换装置并列切换异常造成的事故屡有发生[8 -11]，因此在设计中应充分考虑单母线分3段接线模式下电压的并列、切换回路。

如图2所示，煤矿变电站采用单母线分3段接线，为减少投资，不在Ⅱ段母线上安装电压互感器，仅在Ⅰ、Ⅲ段母线上安装，因此在电压回路设计中，与常规单母线分段接线相比，不仅涉及到Ⅰ段、Ⅲ段母线的电压并列回路，还涉及到Ⅱ段母线的电压切换回路。

3.1 电压并列回路

电压互感器二次回路并列的条件是一次母联断路器或分段断路器在合闸位置，且两侧隔离开关也在合闸位置，即只有在一次并列的情况下，其二次电压回路才允许并列，严禁一次未并列的情况下将二次并列。因此要实现Ⅰ、Ⅲ段母线的电压并列，必须满足2个分段断路器和2个隔离柜均在合位的条件。

常规变电站站内的电压并列二次回路是由母联(分段)断路器及两侧刀闸的辅助接点与中间继电器构成硬件接点回路，实现二次电压的并列。对单母线分3段接线模式，需2个母联(分段)断路器位置和2个隔离柜的位置接点串接来实现电压并列。

3.2 电压切换回路

电压并列装置仅能实现Ⅰ、Ⅲ段母线间的电压并列，而不能实现Ⅱ段母线电压的选取；II段母线电压既可取I段母线电压，也可取Ⅱ段母线电压，因此需要对Ⅱ段母线电压单独处理。

Ⅱ段母线经2个隔离柜、2个分段断路器跨接在Ⅰ段、Ⅲ段母线上，与双母线接线的进出线一致，因此Ⅱ段母线电压采用电压切换装置进行电压切换。若1DL和3DL断路器在合闸位置时，Ⅱ段母线电压取Ⅰ段母线电压；若2DL和4DL断路器在合闸位置时，Ⅱ段母线电压取Ⅲ段母线电压。

当进线2检修或故障时，进线1带全站负荷，此时若1DL、3DL和4DL断路器均在合闸位置时，电压切换装置将会发出“切换继电器同时动作”，若Ⅰ、Ⅲ段母线存在电势差，将会在电压切换回路中形成很大的电流，有可能烧毁电压切换继电器，且此时若某一电压二次回路出现故障，将有可能造成两段电压回路失电，造成全站的二次电压回路失电，严重威胁变电站的安全运行。文献[12]对两段母线的电压切换回路作了改进，将分段断路器的常闭接点并联后串入切换回路，当2个分段断路器同时合闸时，Ⅱ段母线仅能取Ⅲ段母线电压，若此时Ⅲ段母线电压互感器故障或检修，Ⅱ段母线电压将会无法取得电压。

因煤矿变电站一般分列运行，2条电源进线仅在运行方式变更时存在短时并列，为避免2个分段断路器合闸时，2个电压互感器长时间处于并列的可能，在电压切换回路里串接入对应进线断路器的动合接点，若1DL、3DL、4DL合闸，进线2DL分闸，此时Ⅱ段母线电压将取的是Ⅰ段母线电压；若2DL、3DL、4DL合闸，进线1DL分闸，此时Ⅱ段母线电压将取的是Ⅲ段母线电压，其中3G、4G为分段隔离柜的位置接点，切换回路如图3所示。

图3 Ⅱ段母线电压切换回路Fig.3 Voltage switching circuit of section Ⅱ busbar

4 结语

着重讨论2条进线3台主变配置的煤矿变电站设计中存在的问题，提出解决措施，且已在实际工程中得到应用，对煤矿变电站运行的可靠性、经济性和安全性大有裨益，可为类似变电站的设计提供借鉴和参考。