煤矿地面供电系统的研究与设计

邬 瑞

（西山煤电集团公司杜儿坪矿， 山西 太原 030022）

引言

随着煤矿生产技术的变革，井下工作面不断延伸扩展，对煤矿供电系统网络的安全性与可靠性提出新的要求[1]。根据国家煤矿安全监督局统计的数据显示，由煤矿供电系统故障直接或间接引起的事故，在所有安全事故中的比例逐渐上升[2]。如煤矿瓦斯爆炸，其中一半以上的事故都是由于通风设备断电，造成井下瓦斯积聚，而井下生产环境恶劣，电气设备或绝缘组件受到腐蚀后，工作性能下降，在二次通电时极易造成绝缘击穿，引起爆炸事故[3-4]。所以对煤矿供电系统进行合理优化与设计，有助于提高煤矿生产过程的安全性。本文将针对煤矿地面供电系统进行研究与设计。

1 供电系统特性与问题的分析

1.1 供电系统特性

本文对影响供电系统安全性的因素进行总结，具体包括：煤矿井上各主要电气设备（提升机、通风机及空压机等）与井下各主要电气设备（采煤机、皮带运输机、刮板输送机等）电力分配的情况；煤矿开采方式与井田大小；瓦斯等级及通风方式的选择；矿井生产能力；综采工作面自动化程度[5]。

煤矿生产过程主要可分为六大系统，具体为提升系统、运输系统、掘进系统、综采系统、通风系统与排水系统[6]。提升系统主要负责联系井上与井下，运输工人、矸石与设备等，其工作地点固定，由地面变电所直接供电，完成周期循环的提升下降任务。运输系统主要负载将工作面的矿石、煤炭等物料运输到井下车场，将设备与材料从井上运输到工作面。运输系统主要包括皮带运输、刮板运输与其他辅助运输方式等，其中部分运输方式由地面变电所直接供电，部分运输方式由各采区变电所供电。掘进系统与综采系统为煤矿的两个基本环节，分别负责井下巷道、工作面的开拓与工作面的破煤、转载等工作。掘进系统与综采系统供电距离长，通常采用变电站或移动变电站对工作面机电设备供电。通风系统负责排放与抑制瓦斯等有害气体与煤尘，向工作面输送新鲜空气等任务，排水系统负责将井下掘进工作面等渗出的地下水排放到井上，避免积水威胁生产安全。通风与排水系统根据设备安装位置的不同，供电来源不同，如主通风机由地面变电所直接供电，局部通风机由各采区变电所供电。无论各系统是否由地面变电所直接供电，一旦地面供电系统瘫痪，矿井将无法生产，甚至引起瓦斯积聚、透水积水等事故，所以对煤矿地面变电所进行合理分析设计是十分重要的[7]。

1.2 系统主要存在的问题

由上节所述，煤矿地面供电系统应当首先保障通风系统与排水系统的供电需求与安全，避免危险事故的发生。除此之外，系统还应当考虑各电网的短路问题与电气设备的保护措施等。

供电系统中最危险的是短路故障，当系统电网中某一线路短路时，将形成上万安的短路电流，在短时间内破坏电气设备，引起火灾与爆炸等危险事故。所以，为了提高煤矿整个供电系统的安全，应当安装电流保护系统，监测供电网络中电流参数的变化，通过设定各线路的阙值，实现供电系统网络的速断保护与过流保护等功能。

2 供电系统结构分析与方案设计

2.1 地面供电系统总体结构的设计

煤矿供电系统采用分层结构，分为井上部分与井下部分，本节将主要介绍井上供电系统，即从地面变电所电源端到各6 kV线路末端。地面变电所负责接收电能，并将电能合理分配到主要电气设备与采区变电所等。本文所设计的地面变电所由下页图1所示，包括35 kV线路与6 kV线路。变电所设有进线端两路电源与两台主变压器设备，通过隔离开关与断路器将两部分跨接起来，控制开关刀闸的状态实现供电线路与变压器的切换。本文在35 kV母线设有FZ避雷器与TV电压互感器，起到监测保护的作用。系统通过变压器T1与T2将35 kV转换为6 kV电压，满足煤矿提升机、通风机、工人村用电与井下用电需求。本文在6 kV母线两端设置FB型避雷器与TV三相电压互感器，负责监视，保护6 kV供电线路。

图1 地面供电系统总体结构设计

2.2 电源快速切换装置的选型

本文为了保证通风系统与排水系统的不间断工作，选型设计了一种电源快速切换装置。PCS-9655S为南京南瑞继保电气有限公司生产的一款电源切换装置，当某一支路电源发生故障时，可通过手动与自动的方式切换该支路的供电电源。PCS-9655S装置采用32位CPU，易于扩展维护，具有良好的人机交互界面，灵活的通讯方式，支持RS485串口通信与以太网通信，抗干扰能力强，可满足煤矿地面变电所的控制需求[8]。

3 供电系统保护方案的设计

本文设计的继电保护方案如图2所示，由保护装置、测控装置、交换机、智能终端与互感器等设备组成。本文选用的互感器为电子式，测量线路中电流与电压信号，相对于传统互感器，电子式互感器结构简单、质量轻、故障测量的准确率高，有益于系统的集成。合并单元的功能是将电流信息与电压信息合成，利用时钟装置传递的信号，将合并后的信息打上时间标签传输到保护装置，减少了互感器于保护装置之间的接线工作。同步时钟装置的功能是为系统的信号采集与传输提供时间基准，保证信息传输的有序性与有效性，并且可在事故分析中记录断路器状态、线路电流与电压变化等。交换机作为保护系统的中枢神经，将传统电缆传输替换为以太网传输，建立可靠的信息传输渠道，保证局域网与远程终端的信息传输。

智能终端主要有两个功能：接收保护装置的控制信息，实现对断路器的状态控制；向测控装置上传信息，方便工程师对断路器状态的远程监控。保护装置主要负责采集信号的处理与分析工作，通过与系统设定阙值的比较，判断电网线路是否出现故障，并将控制信息传输到智能终端。测控装置负责将测量信号上传与调度到站控层，方便工程师的远程控制，并通过控制回路对断路器的分合状态与储能情况进行监控。

图2 智能继电保护系统方案设计

4 结语

本文设计的煤矿地面供电系统方案，以及电源快速切换装置，在系统供电支路发生故障时，可保证煤矿的生产安全系统快速高效的切换电源，实现不间断工作。继电保护系统可完成供电系统的信息采集、故障诊断与自动切换等工作，实现供电线路的速断保护与过流保护等，保障供电系统安全稳定的工作。