第十一讲 矿井供电.docx

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第十一讲矿井供电

第十一讲矿井供电

本讲主要内容是矿井供电基础、煤矿供电常用计算、煤矿供电常见问题及解决方案、矿井地面供电、井下供电、继电保护等。

一、矿井供电基础

（一）煤矿供电系统

1、煤矿供电系统特点

（1）供电可靠性要求高：

一级负荷多，高危行业，灾害严重，如瓦斯、涌水。

（2）同一电压等级穿越的供电级数多：

如6/10kV电压穿越地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、移动变电站。

（3）大功率负荷相对集中：

大功率设备大多处于井下采掘工作面，负荷变化对供电系统影响较大。

（4）运行环境恶劣：

环境潮湿，粉尘多，移动型设备多，挤压碰撞多。

（5）电缆供电为主：

高压电缆一般有几十公里，单相接地电流大，易拉起电弧，不易自恢复。

（6）新型电力电子设备逐渐增多：

谐波含量超标。

（7）供电设备技术水平参差不齐：

同一种类设备类型多且难以统一，配合复杂，管理维护困难。

2、煤矿供电系统的要求：

由于煤矿生产的特殊性，在供电上要求更为严格。

其主要要求有：

供电可靠、供电安全、保证充足的供电量、技术经济合理。

3、矿井电压等级（见下表）

电压等级（V）

用途

交

流

36

井下照明及控制、信号回路

127

井下照明及手持电气设备

220

地面照明

380

地面及井下低压动力

660

地面及井下低压动力

1140

井下低压动力

3.3kV

井下综采工作面供电

6、10kV

矿井配电

35、66kV

矿区配电

110kV

矿区配电

直

流

80、110、120、400

蓄电池式电机车

110、220

地面变电所直流电源

250、550、750

架线式电机车

4、矿井负荷分级及电源要求（见下表）

负荷

级别

负荷及设备名称

电源要求

一级

负荷

1、井下有淹没危险环境矿井的主排水泵及下山开采采区的采区排水泵；

2、井下有爆炸或对人体健康有严重损害危险环境矿井的主通风机；

3、矿井经常升降人员的立井提升机；

4、抽放瓦斯设备（包括井下移动抽放泵站设备）；

5、根据国家或行业现行有关标准规定应视为一级负荷的其他设备。

双独立电源供电；当一电源中断供电，另一电源不应同时受到损坏，且电源容量应至少保证矿山企业全部一级负荷电力需求。

二级

负荷

1、主提升机（包括主提升带式输送机及煤水泵）；

2、经常升降人员的斜井提升设备、副井井口及井底操车设备；3、主要空气压缩机；4、配有备用泵的消防泵，无事故排出口的矿井污水泵；5、地面生产系统、生产流程中的照明设备、铁路装车设备、矿灯充电设备、矿井行政通信及调度通信设备；6、单台蒸发量为4t/h以上的锅炉；7、井筒保温及其供热设备、有热害矿井的制冷站设备；8、综合机械化采煤及其运输设备、井底水窝水泵、井下无轨运输换装设备；9、主井装卸载设备、大巷带式输送机、井下主要电机车运输设备；10、井下运输信号系统；11、矿井信息系统、安全监测及生产监控设备；12、运煤索道的驱动机；13、根据国家或行业现行有关标准规定应视为二级负荷的其他设备

两回电源线路供电；两回电源线路中的任一回中断供电时，其余电源线路宜保证供给全部二级负荷电力需求。

三级

负荷

不属于一级和二级的矿井用电负荷。

单回电源线路供电。

5、变电所常用主接线形式

接线

方式

接线图

简要说明

单母线

优点：

接线简单清晰、设备少、操作方便、占地少、便于扩建和采用成套配电装置。

缺点：

不够灵活可靠，任一元件故障或检修时，均需要整个配电装置停电。

适用范围：

单母线接线只适用于容量小、线路少和对二、三级负荷供电的变电所。

分段

单母线

优点：

接线简单清晰、设备较少、操作方便、占地少和便于扩建和采用成套配电装置。

当一段母线发生故障，可保证正常母线不间断供电，不致使重要负荷停电。

缺点：

当一段母线故障或检修时，操作时回路不停电。

适用范围：

具有两回及以上电源线路或装有两台及以上变压器的变电所。

常用在矿井变电所的6～10kV。

双母线

优点：

供电可靠性高、运行灵活。

缺点：

使用设备多、投资大、接线复杂、操作安全性较差。

适用范围：

110kV线路为6回及以上时，或35~63kV线路为8回及以上时，或6～10kV线路为12回及以上时，可采用双母线。

常用在矿井区域变电所的35-110kV。

内桥

接线

优点：

高压断路器数量少，占地少，四个回路只需三台断路器。

缺点：

变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运。

适用范围：

适用于较小容量的发电厂；变压器不经常切换或线路较长、故障率较高的变电所。

外桥

接线

优点：

高压断路器数量少，占地少，四个回路只需三台断路器。

缺点：

线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。

变压器侧断路器检修时，变压器需较长时期停运。

适用范围：

适用于较小容量的发电厂，变压器的切换较频繁或线路较短，故障率较少的变电所。

全桥

接线

优点：

适用性强、运行灵活、易于扩展成单母线分段式的中间变电所。

缺点：

设备多、占地面积大、投资大。

适用范围：

线路变压器组

（a）（b）（c）

优点：

线路最简单、设备及占地最少。

缺点：

不够灵活可靠，任一元件故障或检修，均需整个配电装置停电。

适用范围：

适用于一回电源线路和一台变压器的小型变电所。

图（a）接线当有操作或继电保护等要求时，变压器一次侧装设断路器。

图（b）接线对于系统短路容量较小的不太重要的小型变电所。

图（c）接线只适用于用电单位内部的35kV变电所，线路电源端的保护装置应能满足变压器保护要求。

6、电网中性点运行方式

11-1电网中性点运行方式示意图

（1）大接地电流系统（110kV及以上）

直接接地，又称为有效接地；经低阻接地

（2）小接地电流系统（35kV及以下）

不接地，又称为中性点绝缘；经消弧线圈接地；经高阻接地。

（3）煤矿电网中性点接地方式

井下3300、1140、660V系统采用中性点不接地方式；6/10kV主要采用中性点经消弧线圈接地方式；35kV采用中性点不接地方式；110kV采用中性点直接接地方式。

（二）煤矿电容电流产生原因

电缆长度大。

估算：

所有使用电缆长度×（1.2~1.5）

1、电容电流大的危害（发生单相接地后）

（1）易造成二次故障：

接地发展为短路（放炮）

（2）易产生单相电弧接地过电压：

可达2.5～3倍的相电压峰值

（3）易产生铁磁谐振过电压：

PT熔断器熔断或烧毁

（4）干扰通信系统

2、治理措施

（1）分区供电（分列运行、采用隔离变压器）

（2）中性点改造为经消弧线圈接地

（3）采用消弧消谐柜（接地分流）：

容易扩大事故，治标不治本

3、原理：

相地电感电流抵消相地电容电流。

4、调谐方法：

（1）预调式：

是指电网无接地故障情况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。

一般需加装阻尼电阻，以保证中性点位移电压不大于额定相电压的15％。

（2）随调式：

是指电网无接地故障情况下，消弧线圈处于欠补偿状态，在电网发生单相接地故障时，消弧线圈自动调谐到合理补偿位置。

不需阻尼电阻，但接地瞬间无法达到全补偿。

调节方法：

①有档调节：

调节精度低，残流大，如：

调匝式、调容式。

②无级调节：

调节精度高，残流小，如：

调感式、磁控式。

类型

技术

优点

缺点

调匝式

调节电感抽头、高压负荷开关调节及可控硅调节

容量大、造价低、预补偿

有固定补偿量、有档调节残流大、阻尼易烧毁

调容式

电感过补偿、二次调电容量抵消过补偿

调节范围宽、预补偿

有档调节残流大、电容维护量大

调感式

二次可控硅调节电感电流

无级残流小、预补偿

有固定补偿量

偏磁式

磁控电抗器、直流助磁

无级残流小

随补偿、维护量大

磁阀式

磁控电抗器

无级残流小

随补偿、维护量大

（三）电网中性点运行方式：

比较

不接地

经高阻接地

经消弧线圈接地

无阻尼

并/串阻尼

单相接地电流

较大

1~10A

1~2秒大，

后0~5A

0~5A

单相电弧接地过电压

最高

低

高，发生概率降低

低，发生概率降低

铁磁谐振过电压

最高

低

过补偿低

欠补偿高

低

保护接地安全性

危险

安全

较危险

安全

故障扩大可能性

最高

高

高

低

接地选线保护

易

易

难

难

（四）电网监控

1、矿区电网调度自动化系统

主站一般设置在矿区电力调度中心或生产调度中心，是整个调度自动化监控和管理系统的核心。

11-2电网调度自动化系统结构示意图

2、矿井电网监控系统

11-3矿井电网监控系统结构图

3、矿井电网监控系统：

地面主站

11-4矿井电网监控系统地面主站示意图

4、矿井电网监控系统：

网络结构

11-5矿井电网监控系统网络结构示意图

5、变电站自动化结构

11-6自动化变电站结构示意图

6、矿井电网监控系统功能

（1）遥测：

电压、电流、功率、电度监测

（2）遥信：

开关分、合、状态等开关量监测

（3）遥控：

远程分合闸操作

（4）遥调：

远程保护整定

（5）故障录波微机保护

7、数字化变电站

数字化变电站是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分站控层、间隔层、过程层三层构建，两级网络。

（1）数字化变电站功能：

智能设备间信息数字化共享和互操作

网络化二次功能

程序化操作：

例如倒闸操作自动化

状态检修：

开关触头状态预判

电网故障分析隔离

（2）数字化（智能化）变电站与自动化变电站区别

11-7数字化（智能化）变电站与自动化变电站示意图

二、煤矿供电常用计算

1、负荷计算方法

（1）类似矿井估算法：

可行性研究

（2）已知条件估算法：

可行性研究

（3）需用系数法：

初步设计

2、短路电流计算：

设备选型、继电保护整定、事故分析。

（1）高压短路电流计算

（2）低压短路电流计算

（3）不对称短路电流计算

3、电容电流估算：

中性点运行方式选择、设备选型。

架空线路电容电流估算

电力电缆电容电流估算

4、电容电流测量

（1）直接测量：

准确、危险

（2）间接测量：

经高阻接地最准确

煤矿安全规程规定：

电容电流不得超过20A

三、煤矿供电常见问题

1、短路越级跳闸

2、漏电保护误动或据动

3、保护配置与整定

4、电能质量

5、电容电流治理

6、过电压

四、矿井地面供电

1、地面供电原则：

（1）根据供电容量需求选择110kV或35kV，优先采用高电压等级。

（2）目前双独立电源供电进线。

（3）目前推荐以分列运行方式为主。

2、地面供电设备：

母线、支柱绝缘子及穿墙套管、隔离开关、负荷开关、高压断路器、高压熔断器、高压开关柜、电力变压器、电力电缆、电力架空线路、限流电抗器、电力电容器、电流互感器、电压互感器、配电直流屏

五、继电保护

（一）整定原则：

1、下一级电网服从上一级电网；

2、局部问题自行消化；

3、尽可能照顾下一级电网的需要；

4、保证重要用户供电；

5、高低压继电保护整定应区分方法；

6、按电力元件设置。

（二）常见问题：

越级跳闸、漏电保护误动、保护配置与整定。

1、短路越级跳闸：

煤矿高压供电存在如下特点：

短线路较多，有的下井线路仅有100-500米，采区变到配电点仅有50-500米；下井线路经过的开关级数多，地面-井下中央-采区-配电点；电力系统给定的速断定时限短（1-2秒），井下高压开关一般均装设速断保护，井下高压开关一般均装设有低电压保护。

（1）短路越级跳闸原因

①整定方法不合理:

速断保护按躲过最大负荷电流整定，比按短路电流整定得到得值要小得多，发生短路后沿线保护均启动，跳闸取决于开关的机械特性。

解决方法:

正确整定。

11-8速断保护整定计算示意图

②短线路造成保护定值无法区分：

短线路短路电流的变化平缓，始末端短路电流差值小，按躲过线路末端最大短路电流整定，一般保护灵敏度<1。

电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护，不准甩掉不用。

此时一般按同一灵敏系数法整定，造成线路在最小运行方式下有保护范围，然而在最大运行方式下可能发生越级跳闸。

解决方法：

在短线路增设限流电抗器，注意端电压、井下条件限制；改变保护原理，采用差动保护。

11-9差动保护原理计算示意图

③系统的运行方式差异较大：

系统运行方式差异较大，按躲过线路末端最大短路电流整定，一般保护灵敏度<1。

电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护，不准甩掉不用。

此时一般按同一灵敏系数法整定，造成线路在最小运行方式下有保护范围，然而在最大运行方式下可能发生越级跳闸。

解决方法：

上电力自动化系统；随运行方式切换保护定值；改变保护原理，采用差动保护。

④短路电流过大：

短路电流超出了CT或保护装置短路电流的最大测量范围，造成短路电流无法区分。

例如：

线路最大短路电流为3kA，按正常应整定为3.6kA。

CT为200/5（10P10），最大只能测量2kA，整定再高也无效；井下高压综保短路保护一般最高只能整定为10倍，也只能整定到2kA。

解决方法：

改变CT变比，加装限流电抗器，改变保护原理，采用差动保护。

2、漏电保护误动或据动原因

（1）高压漏电保护选择性原理有效性

零序过电流原理：

适用于中性点不接地系统，且各出线电容电流差别不大。

零序无功方向型原理：

适用于中性点不接地系统。

零序有功方向型原理：

适用于中性点经并或串阻尼的消弧线圈接地。

五次谐波原理：

适用于中性点各种接地形式，但灵敏度较低，不适合单条线路应用。

解决方法：

根据系统中性点运行方式，选择具有正确原理的保护装置。

图11-10谐波治理原理图

（2）、主要原因

①高压漏电保护整定方法不合理：

井下高压漏电保护同一条线路应按时限保证选择性。

零序过电流原理：

在中性点不接地系统应按躲过本支路电容电流整定。

解决方法：

正确整定

11-11高压漏电保护整定方法示意图

②接线不正确：

选择性原理必须依靠电压与电流方向的判别。

电压互感器零序电压加、减极性接法不一。

误以为漏电试验动作即检验了漏电保护可靠。

解决方法：

做经电阻接地或直接接地试验验证接线正确性。

11-12经电阻接地正确接线方式

3、保护配置与整定

（1）配置原则不统一。

（2）互感器变比选择混乱。

（3）出线与进线保护的配置不合理。

（4）配置不完善。

如母线保护的配置。

4、保护整定

（1）整定原则不统一。

（2）整定计算错误。

解决方法：

进行系统分析。

5、防越级跳闸系统：

常规模式

方案：

从地面到井下所有变电所连接线上配置光纤纵差保护

线路的主保护升级为：

线路纵差保护

过流II段为后备保护

高爆综合保护应改造为具有光纤差动保护的微机保护测控单元

地面到井下所有变电所连接光纤

优点：

改造简单。

缺点：

仅能实现短路防越级，无法解决漏电无选择性问题；无法实现母线短路速断保护，靠后备保护动作，存在一定危险性。

6、自动装置

（1）自动重合闸装置:

将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置，广泛应用于架空线线路上的有效反事故措施（如雷击、风害等）。

（2）要求：

直接向井下供电的高压馈电线上，严禁装设自动重合闸。

运行人员就地或远方操作断开时，自动重合闸不应动作。

自动重合闸装置动作次数应符合预先的规定。

重合闸允许的最短间隔时间为0.15～0.5秒

优点：

提高供电可靠性

缺点：

重合于故障时，对系统冲击较大；使断路器的工作条件变得更加严重。

7、备用电源自动投入装置（备自投）：

当主供电源发生故障（电压失去或降低到设定值）时，将备用电源在设定的时间内启动或投入，以保证重要设备电源的供给的自动化设备。

（1）要求：

工作电源断开后，备用电源才能投入；备用电源投入必须经过延时，时限应大于最长的外部故障切除时间；手动或遥控操作断开工作电源时，备自投不应动作；应具备闭锁备用电源投入到故障元件功能；备用电源无压时，备自投闭锁；备自投只能动作一次。

（2）分类：

线路备投、母联备投、分段备投、变压器备投、电源快速切换装置（快切）。

（3）原理：

快速切换+同期捕捉。

一般工作方式有：

事故切换、不正常切换、正常切换.

（4）针对问题：

由于雷击、短路、负载回路故障等外部或内部的原因，造成非正常停电、电压大幅波动或短时断电（俗称“晃电”）。

（5）与备自投的主要区别：

切换速度不同，备自投是秒级，快切是毫秒级，能做到电机不停运；切换方式不同，备自投是单向，快切是双向。

8、无功补偿与谐波治理

目前煤矿主要电能质量问题：

谐波、末端电压低、电压波动和闪变、个别电网受外网影响有三相电压不平衡。

谐波的基本概念：

“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍”。

间谐波：

非工频频率整数倍的谐波。

11-13谐波示意图

9、煤矿电网的谐波问题

（1）谐波源

调速设备：

直流调速、变频调速、变频软启动。

整流设备：

充电器、整流器。

节能设备：

节能灯、开关电源等。

（2）谐波分类

特征谐波：

有规律的谐波次数k*p±1;k=1,2,3..，p为6,12,24次脉动整流。

非特征谐波：

系统不平衡、电力电子设备工作不正常产生,如2,4..等。

（3）谐波危害：

使电能的生产、传输和利用的效率降低。

使电气设备过热、产生振动和噪声。

使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。

引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。

引起继电保护和自动装置误动作。

使电能计量出现混乱。

对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

（4）治理设备

无源设备：

分组投切无功补偿装置：

手动/自动投切，调谐/非调谐。

静止型动态无功补偿装置SVC：

TSC、TSC+TCR

静止型动态无功补偿装置SVC：

FC+TCR、FC+MCR

有源设备：

有源滤波器APF；静止无功发生器SVG（又称静止同步补偿器STATCOM）。

10、分组投切无功补偿装置

（1）主要器件：

（电容器+电抗器）组

（2）投切方式：

手动、自动

（3）功能：

纯补偿（非调谐）、补偿＋滤波（调谐）

（4）原理：

采用电力电容器串联适当比例的电抗器，形成针对某一特定频率的低阻抗滤波回路，吸收特定频率的谐波电流，补偿基波无功功率

（5）适用场合：

无功功率大、功率因数低、无功变化不频繁，具有典型特征谐波（5，7，11，13次）的工业负荷。

（6）优点：

结构简单，造价低廉。

（7）缺点：

响应时间长达秒级；可能发生无功倒送；补偿容量与电网电压矛盾；只能消除特定次谐波，而对其它次谐波会产生放大作用；滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；投切产生涌流及过电压会对系统会造成冲击，补偿精度低。

11-14分组投切无功补偿装置接线原理图

静止型动态无功补偿装置SVC

主要器件：

FC+TCR、FC+MCR

FC+TCR原理：

FC固定投切，可控硅调节相控电抗器电流进行跟踪补偿。

FC+MCR原理：

FC固定投切，可控硅调节磁控电抗器投入比例

功能：

补偿电网感性无功，FC吸收电网中特定频段谐波电流，减小无功冲击造成的电压波动与闪变。

优点：

动态跟踪无功变化，跟踪速度可达20ms（TCR）或400ms（MCR），不会发生无功倒送、无投切振荡和无冲击投切。

缺点：

功耗大；占地面积大；补偿容量与电网电压矛盾；只能消除特定次谐波，而对其它次谐波会产生放大作用；自身产生的谐波不可忽视。

11-15TCR-SVC接线原理图

有源滤波器（APF）

原理：

利用PWM技术实现的电流发生器,它产生与负载无功（基波与谐波）电流大小相等、方向相反的电流，使注入电网的无功电流为零。

功能：

谐波治理＋小容量无功补偿＋抑制电压骤降＋抑制闪变。

11-16有源滤波器（APF）原理图

优点：

无需大容量电容器和电抗器，是一种动态的可控解决方案，可自动地适应网络和负载的变化，不存在谐振问题，占地面积小。

缺点：

单机容量较小，不适合大容量补偿，系统造价高。

适用场合：

功率因数高、配电系统复杂、谐波分量复杂的工业负荷。

APF补偿无功电流特点：

对无功电流的高动态性补偿；降低系统公共连接点电流；系统中无谐振危险；载波控制系统不受影响。

补偿谐波电流，明显改善系统电压波形；降低系统电流;不产生谐振;不影响载波信号。

静止无功发生器SVG

组成：

FC+SVG、SVG

功能：

对无功功率、电压波动与闪变、负荷不平衡、特定次谐波进行补偿与治理。

优点：

无功补偿响应速度快达10ms；不需要大容量储能元件；双向无功补偿；精准电压控制，降低电压纹波；受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。

缺点：

使用寿命短，维护成本高。

适用场合：

适用于无功变化频繁，且谐波成份不复杂的变电站。

过电压及其防护

外部过电压（雷电过电压、大气过电压）

分类：

直击雷过电压和感应雷过电压两种。

直击雷过电压是雷直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。

感应雷过电压是雷击中电工设备附近地面，在放电过程中，由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。

反击：

雷击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电。

通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。

一次防雷措施：

1）降低杆塔接地电阻：

降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高，是提高线路耐雷水平和降低雷击跳闸率最有效也是最经济的方法。

2）架设避雷线：

防止雷直击导线，减小击杆率，从而降低跳闸率。

避雷线有分流作用，以减小流经铁塔的雷电流，从而降低塔顶电位，提高耐雷水平。

避雷线对导线的藕合作用可以减小线路绝缘子的电压，增大耦合系数，提高耐雷水平。

避雷线对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。

3）装设自动重合闸装置：

由于线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能够自行消除。

因此，安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果。

4）加装线路避雷器：

线路避雷器与线路绝缘子并联。

当线路电压高于避雷器动作电压时，避雷器动作，其残压低于绝缘子串的50%放电电压，则绝缘子不致发生闪络。

雷电流过后，流过避雷器的工频续流仅为毫安级，流过避雷器的工频续流在第一次过零时熄灭，线路断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态。

5）提高线路的绝缘水平：

可采用增加绝缘子串片数的方式以加强线路绝缘，提高耐雷水平。

35kV一般是4-5配置，可增加到5-6配置；110kV是7-8配置，可增加到8-9或9-10配置。

6）架设耦合地线：

利用耦合地线与导线的耦合作用，加大了耦合地线和避雷线与导线的耦合系数，从而提高线路的耐雷水平。

7）加装旁路地线：

旁路地线是一种防绕击的有效方法，特别是在两