唐安煤矿35 kV 变电站增容改造设计

崔峰

（山西兰花科技创业股份有限公司 唐安煤矿分公司，山西 晋城 048000）

1 概 况

唐安煤矿在生产时主要由地面的35 kV 变电站进行供电。近些年来，随着矿井下组煤配采、绿色充填开采、洗煤厂扩建、智能化改造的推进和设备的升级改造，唐安煤矿井下用电量急剧增加，原有变电站的容量已经不能满足安全生产的需要。因此，决定对变电站进行升级增容改造。改造后，变电站内将配置相应的继电保护、远方监控、通信、站用变压器等装置及设施，可以实现无人值守、有人值守两种方式运行。

2 变电站改造分析

此次唐安煤矿变电站的改造主要包括2 个方面的内容，一方面是更换变电站内的变配电设备，以增加变电站的容量；另一方面是增加微机保护系统，实现变电站运行的无人值守，提高供电系统运行的安全性。

变电站内具体改造主要包括以下部分：①电力变压器及相应各级电压配电装置、无功补偿装置、交流站用电系统设备、过电压保护与接地装置的布置安装和接线，相应的继电保护及自动装置、就地测量及控制操作设备、远方监控终端设备的布置安装和接线，电缆设施等；②无人值守站传输语音及数据的通信系统；③与电气设备相关的基础及架构、建筑物、构筑物及给排水设施、通风设施，消防设施、安全防范及环境保护措施；④站内配套的通信设计。

3 增容后高压用电设备的选型与布置分析

在进行改造时，需要增加供电系统的容量，这就需要更换相应的高压用电设备，并对这些设备进行重新布置。

3.1 增容后高压用电设备选型

增容后高压设备选型接线如图1 所示。

图1 高压设备选型接线示意Fig.1 High voltage equipment selection wiring diagram

唐安煤矿35 kV 变电站增容改造后电源取自许河110 kV 变电站和关岭110 kV 变电站。短路电流按35 kV 线路进线由关岭110 kV 变电站引出至本站考虑，按照2 台主变并列运行时计算，35 kV 母线的短路电流约为4.562 kA，6 kV 母线的短路电流为16.84 kA。因此，高压用电设备选型时，需要考虑到母线的短路电流。

根据增容后35 kV 母线的短路电流，主变压器选用35 kV 三相双绕组油浸式自冷有载调压电力变压器，型号为SZ11-20000/35，接线组别为YN，d11，电压比为35±3X2.5%/6.3，阻抗电压Ud＝8%；配电装置设备选用户内铠装移开式金属封闭开关柜，柜内配置真空联体断路器，配弹簧操作机构，额定电流为1 250 A，开断电流为31.5 kA（大于母线的短路电流4.562 kA）。

根据增容后6 kV 母线的短路电流，地面配变压器选用三相双绕组无励磁干式变压器，额定容量为400 kVA，电压比为6±2X2.5/0.4kV，接线组别采用D，yn11，阻抗电压Ud＝4%；安全指挥中心配变选用三相双绕组无励磁油浸式变压器，额定容量为100 kVA，电压比为6±2X2.5/0.4kV，接线组别采用D，yn11，阻抗电压Ud＝4%；配电装置设备选用户内铠装移开式金属封闭开关柜，柜内配置真空联体断3 路器，配弹簧操作机构，出线及发电机进线的额定电流均为1 250 A，开断电流为31.5 kA，主变进线及分段的额定电流为3 150 A，开断电流为40 kA（大于母线的短路电流为16.84 kA）。

根据无功管理及供用电规则，无功补偿装置的容量按就地补偿、便于调整电压及不发生谐振的原则进行配置，设计考虑了该站主变压器及部分负荷所需的无功补偿，决定在6kVI、II 段母线上分别装设一组容量为6 000 kvar 的SVG 动态无功补偿装置进行补偿，接线方式为星形。在负荷侧装设无功补偿装置时，整体用电功率因数应不低于0.9。

3.2 变电站设备重新布置分析

由于新增加了许多设备，变电站设备需要进行重新布置。根据唐安煤矿变电站实地考察，按无人值班、小型化半户内变电站设计，布置为35 kV 北进、6 kV 北出，大门朝东开。35 kV 配电装置及二次设备室布置于配电楼二层，35 kV 开关柜单列布置，35 kV 进线采用电缆进线的方式；6 kV 配电装置、SVG 及接地变、消弧线圈室、低压配电室及配变室布置在配电楼一层，6 kV 配电装置采用户内成套开关柜，双列布置，6 kV 出线均为电缆出线，在6 kV 配电室建电缆夹层，将6 kV 电缆引至变电站北侧。变压器布置在室外，位于配电楼的北侧，站内道路可直接通至2 台主变及6 kV 配电室，设备运输和运行检修维护方便；生产建筑考虑了电气二次设备间、办公室及值班室，布置在变电站的西面。这样布置结构紧凑、布局清晰，分割合理，具体如图2 所示。

图2 改造后变电站平面布置Fig.2 Substation layout after transformation

3.3 变电站过电压保护和接地分析

为了避免变电站出现雷击损害，采用3 支30 m 高的避雷针进行防雷。为了避免雷波电压侵入电网，在35 kV 母线和6 kV 母线上分别安装复合绝缘性氧化锌避雷器。

为了保证供电站的安全性，避雷针应该采用集中接地的方式。由于土壤会腐蚀接地体，接地时应该采用深埋地极，主地极采用60 mm×8 mm 的镀锌扁钢，接地电阻不大于0.4 Ω，所有电极不得接反，并采用焊接的方式相连。所有检修爬梯、照明电缆管均应可靠接地。

变电所进站大门处，设置与主接地网相连接的均压带。根据微机保护及监控系统接地要求，变电站内采取防静电接地及保护接地措施。全站设25X4 铜排作为二次设备的等电位联接，二次设备间内的屏体上接地端子、开关柜内控保装置均通过铜缆与铜排相连，二次等电位铜排与变电站主地网可靠联接。

4 综合自动化系统设计

此次唐安煤矿扩容后的变电站按照无人值守、有人值守方式进行设计。二次部分选用变电站微机综合自动化系统，设置后台系统，如图3 所示。

图3 变电站微机综合自动化系统结构Fig.3 The structure of substation microcomputer integrated automation system

4.1 综合自动化的方案

主变控保系统采用集中组屏，35 kV 及6 kV出线的控保装置就地安装于开关柜上。主变的主保护与后备保护装置分开设置，保护和监控用不同的CPU，主变高、低压侧均设置后备保护装置；6 kV的保护和监控可以用同一个CPU。各装置之间的通讯联接线由综自厂家供应并负责连接。

综合自动化装置的防电磁干扰及抗震动性能应符合国家有关标准，所有接点的输入、输出都经光耦隔离，各保护、测量分别接入独立CT。综合自动化装置设微机接口与交直流屏相连，实现对交直流设备的实时监控。远动通信管理机与多调度端通信以扩展CDT、XT9702 等标准通信规约和IEC60870-5-104 网络通信规约两种通信方式，向调度端发送调度需要的信息，接受并执行调度端下达的控制命令。

全站设置一套时钟同步系统，计算机监控系统在主控室接受北斗（GPS） 的标准授时，对各个间隔单元及站级计算机等具有时钟的设备进行同步时钟校正，保证各部件时钟同步率精度要求，当本站对时系统故障时，可实现与总调的时钟同步。所有综自装置、电源系统及安全自动装置设置对时接口（RS-485），可以接受硬对时和软对时。

4.2 综合自动化的实现

按照《晋城电力调度数据网运行管理规定》要求， 晋城地区新建电站全部采用IEC60870-5-104 规约，以2×2M 及4×2M 接入晋城地调数据网、备调数据网。综合自动化系统通信管理机具备网络通信功能，支持并采用双网卡，与地调、县调端主通道采用IEC60870-5-104 规约，接入晋城电力调度数据网；满足自动化信息的直采直收，严禁通过当地监控机转发。

为保证变电站综合自动化系统的后台计算机和网络设备的可靠运行，配置1 套逆变电源（UPS）系统（UPS 电源柜1 面，含2×3kVA UPS 电源1套），保证在变电站交流失压的情况下，计算机监控系统、电能计费系统、火灾报警系统、自动化设备等重要设备能有不间断的电源供给。该逆变电源系统采用变电站的直流系统作为后备电源，无须蓄电池组。

为接收本站的远动、保护等信息，此次工程为地调开列调度端二次系统接口，包括软件修改、系统联调及硬件接口等。

为方便无人值班站的运行管理，保证变电站的安全运行，在变电站内配置图像监视及安全警卫系统，实现全站安全、防火、防盗功能配置，并留有远方监视的接口。设置图像终端显示器，安全警卫系统报警接点信号可远传至集控中心或调度端。

为防止变电站火灾事故的发生，配置一套智能型火灾报警装置，终端与计算机监控系统布置在一起，通过该装置的RS485 接口和规约转换器接至站内通讯网。火灾报警的区域包括二次设备室、35 kV 及6 kV 配电室、SVG 室、消弧线圈及接地变室、35k V 站变室等。

根据唐安煤矿需求，为监测主变区域内的温度，对主变的热故障进行预诊断，在变电站主变区内配置红外热成像在线智能监测系统。红外热成像装置通过红外热像仪对主变设备的远距离及工作环境进行温度监测，并借助CCD 摄像机对故障缺陷进行定位，对设备的安全隐患进行远程判断。装置系统可远程控制云台和镜头焦距，并具有预设巡视点的功能，方便实现视频及热图像实时监测，记录视频、热图像及温度数据，实现不间断监控和超温报警。

5 结 语

唐安煤矿变电站改造从2022 年8 月开始，到2023 年1 月完工。在改造完成后，变电站的容量大幅度提升，可以保证唐安煤矿的安全运行。对改造后运行状态进行持续观察，在变电站容量提升后，线路由于发热而引起的短路事故大大降低，跳闸现象减少，尤其是越级跳闸事故发生的次数大幅降低，也从未出现过载现象。经过统计，在改造后，井下停电次数将下降90%以上，可以延长设备的使用寿命，保障了煤矿正产安全开采。