煤矿地面变电所供电系统电气设计.pdf

煤矿地面变电所供电系统电气设计 闫红燕 （同煤集团 燕子山矿， 山西大同037003） 摘要针对煤矿供电系统的薄弱环节，对煤矿地面变电所的电气部分进行了分析与设计。分析了煤矿的主要用电单位以及变电所位置的选用原 则，设计了煤矿变电所的总体方案。对变电所主线路进行研究分析，分别对35 kV高压受电线路、6 kV高压配电线路与380/220 V低压供电线路3 个部分进行了设计。对变电所的保护单元进行分析，分别从继电保护与漏电保护两个方面进行了改进。提出的煤矿变电所电气设计方案有较好的 可行性与可靠性，可有效提高变电所的安全性，降低功率损耗。 关键词变电所；供电系统；继电保护；漏电保护 中图分类号TD612文献标志码A文章编号1009－9492 2020 06－0133－02 Electrical Design of Power Supply System for Coal Mine Ground Substation YAN Hongyan （Yanzishan Mine, Tongcoal Group, Datong, Shanxi 037003, China） AbstractAccording to the weak link of coal mine power supply system, the electrical part of coal mine ground substation was analyzed and designed. The main power units of the coal mine and the selection principle of the location of the substation were introduced, and the overall scheme of the coal mine substation was designed. The main line of the substation was researched and analyzed, and the three parts of 35 kV high voltage power transmission line, 6 kV high voltage power distribution line and 380/220 V low voltage power supply line were designed. The protection unit of the substation was analyzed and designed from two aspects of relay protection and leakage protection. The proposed electrical design scheme for coal mine substation has good feasibility and reliability, can effectively improve the safety of substation and reduce power loss. Key wordssubstation; power supply system; relay protection; leakage protection DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 06. 053 第49卷第06期Vol.49No.06 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 闫红燕. 煤矿地面变电所供电系统电气设计［J］. 机电工程技术，2020，49（06） 133-134. 收稿日期2019－11－18 0 引言 我国是煤炭资源大国，近些年来，随着生产技术的进 步，煤矿机电设备改革换代，煤炭的产量翻倍增长，但是煤 矿的生产结构也发生了巨大变化，生产和安全之间出现了一 些不协调的地方[1-2]。煤矿供电系统作为煤炭生产的重要环 节，是保证煤矿系统运行安全的前提与基础，但也是煤矿的 一个薄弱环节，所以对煤矿的供电系统进行研究是有重要意 义的[3-4]。本文将对煤矿地面变电所的电气部分进行分析设计。 1 煤矿变电所总体方案设计 变电所主要由主变压器、室内外配电装置和主控室等部 分组成[5]。煤矿井口的大功率机电设备，如主、副井的提升设 备、矿井通风机设备等，由地面变电所用6 kV高压直接供 电。选煤厂、机修厂与工人居住区等也通过地面变电所直接 供送6 kV高压电。 煤矿地面变电所是整个煤矿供电系统的重要枢纽，它主 要负责煤矿地面与井下的受电、变电和配电任务[6]。地面变电 所的位置一般设置在工业广场内，具体地址确定需要考虑以 下几个因素与主要负荷设备距离较短，减少导线长度，降 低损耗；避开煤田、滑坡与采空区上方，选择适宜的地形； 交通便利，方便设备运输；避开空气污秽区域，设置在主导 风的上风处。 2 煤矿地面变电所主线路设计 煤矿地面变电所的主线路包括35 kV高压受电线路、6 kV 高压配电线路与380 V低压供电线路及供电电路，本节将分别 对这3种电气线路进行研究设计。 2.1 35 kV高压受电线路 煤矿地面变电所的电 压来源为 35 kV 高压电， 采用双电源回路的方式进 行供电，在电源进线端， 采用带有接地刀闸的隔离 开关控制线路的导通与关 闭。当对高压受电线路检 修时，可断开隔离开关工 作刀闸，合上接地刀闸，切断电源线路，保证检修过程中电 源断路器不会重新合闸送电，保护检修人员的安全。35 kV高 压受电线路如图1所示。 35 kV高压受电线路的母线采用高压真空断路器作为联络 开关。因为断路器具有一定的灭弧能力，在正常工况下，可 接通或断开负荷电流的高压线路，在发生短路等故障时，可 切断短路线路，保障供电系统安全。本方案在35 kV受电线路 的母线上安装了FZ型避雷器，避免了雷雨天气时，感应雷对 电气设备的损害，同时在母线两侧安装了电压互感器TV，为 传感器设备提供测量和保护信号。 2.2 6 kV高压配电线路 6 kV高压配电线路为单母线结构，变电所的主变压器T1 图135 kV高压受电线路设计 133 （下转第213页） 与T2将35 kV电压源降为6 kV，通过断路器与隔离开关分别 引到母线的两端。母线分段处设置有联络开关，各段母线两 端设有电压互感器TV，向测量、保护和监视等装置供电。为 了提高电力负荷的功率因数，在两端6 kV母线上集中设置场 补充电容器和相应的三相电压互感器。为防止架空线路感应 雷入侵，在两端母线上集中设置了FB型避雷器，与避雷器共 设于一个配电柜的还有电压互感器TV和两个绕组，其中一个 绕组提供电气测量信号，另一个绕组向变电所监视装置和接 地保护装置提供零序信号。6 kV高压配电线路如图2所示。 2.3 380/220 V低压供电线路 矿井地面低压动力及照明用电部分为380/220 V低压用电 单元，本方案的低压动力变压器也设置为2台，同时向地面小 容量设备供电。380/220 V低压供电线路如图3所示，供电系 统通过T3与T4变压器将6 kV高压转换为380/220 V低压，向 照明和单相低压动力源供电。母线分为两段，利用隔离开 关做两段母线的联络开关，重要的一、二级电力负荷分别 接在两段母线上，形成双 回路供电方式，图中虚线 部分为零线N。对容量较 大的负荷可单独使用一台 低压电柜，容量较小的负 荷，可合用一台低压配电 柜。其低压的主接线，都 由通用型的低压配电盘组 成。 3 变电所保护单元的分析与设计 煤矿地面变电所供电系统在运行过程中会出现一些故障 和问题，常见的主要故障为变电所接地短路，变压器或电动 机绕组短路等。本节将针对继电保护装置与漏电保护装置进 行分析与设计[7-8]。 3.1 继电保护 当变电所供电系统发生故障时，继电保护装置通过检测 到的电流或电压信号，自动借助断路器将故障线路切除于供 电系统，避免电气元件受到损害。不同故障，检测的参数也 不同，因此继电保护装置也有相应的几种类型当供电系统 线路短接时，利用电流突然增大的特征，可实现电流继电保 护；当供电系统发生欠电压故障时，利用电压降低的特征， 可实现系统的低压继电保护；供电系统电路老化时，利用电 压与电流比值的变化，可实现系统的阻抗继电保护；利用电 流和电压之间关系的变化，可实现系统的方向继电保护和差 动继电保护等等。 继电保护装置主要由测量部分、逻辑部分与执行部分组 成，其原理图如图4所示。测量部分负责比较整定值与被保护 对象的实测值，判断系统是否需要保护，逻辑部分分析处理 测量部分检测到的数据，根据计算结果，按照一定的逻辑关 系向执行部分输出信号，做出一系列的保护动作，或者发出 警报信号和跳闸信号等。 3.2 漏电保护 变电所的供电系统中，当某一线路对地的绝缘电阻值降 低时，经过该路径的电流会增大，当增大到一定程度后，变 电所供电系统就发生了漏电故障。漏电保护装置的主要工作 原理就是通过检测变电所供电系统对地绝缘阻值的大小，判 断系统是否发生漏电故障，当确认漏电后，保护装置切断电 源回路，防止电气元件损坏，保护附近工作人员的人身安全。 本文主要采用附加直流电源保护的原理实现漏电保护功 能，其原理图如图5所示。当变电所的供电系统发生漏电故 障，最容易检测的是对地的绝缘电阻下降，在三相对地的绝 缘电阻上将直流电源导通，该线路电流大小的变化将反映对 地绝缘电阻的变化，有效地检测和处理这个电流就可实现漏 电保护功能。电流和电阻的计算公式分别如下所示 I U RSK 3 RLKRkΩRKDRER∑ （1） R∑ 1 1 RA 1 RB 1 RC （2） 式中U为附加直流电源的电压，V；RSK、RLK、RkΩ、RKD与RE 分别为三相电抗器线圈的电阻值、零序电抗器的电阻值、千 欧表测量的电阻值、继电器线圈的电阻值与回路中大地的电 阻值，Ω；RΣ为三相电网相对地的绝缘电阻。 4 结束语 本文针对煤矿地面变电所提出了一种电气设计方案，分 别对变电所的主线路与保护单元进行了研究设计，该方案具 有较好的可行性，提高了变电所电能的利用率，降低了电能 在运送过程中的损耗，整体的安全性得到了较好的保障。 参考文献 [1] 白安林,任建华,李泽林,等.浅谈煤矿变电所的防雷措施[J].煤 矿安全,2001427-28. 图26 kV高压配电线路设计 图3380/220 V低压供电线路设计 图4继电保护原理图 图5附加直流电源的保护原理图 2020年06月机 电 工 程 技 术第49卷第06期 134 作带来的风险。同时，在不同自然条件下，还需要考虑恶劣 环境下会引发转载机的机头卸煤点处，出现带式输送机的飘 带现象。通过对带式输送机与转载的有效搭接，设置合理的 联锁系统改造，能够有效地解决这些不安全问题。 3.2.4 带式输送机机尾自动调偏滚筒设计 在搭接过程中，还需要考虑带式输送机机尾自动调偏滚 筒的设计，从而防止皮带跑偏，这也是带式输送机与转载机 改造的核心目的，以此来较好地提升综采工作面的工作效 率。本设计中，将带式输送机机尾处按置自动调偏滚筒装 置，从而达到即定的设计目标。 4 结束语 传统的老式采煤运输系统下，会产生一系列的不安全因 素，也制约了采煤工作效率的提升。随着我国科学技术水平 的不断提升，各行业都在不断的改善现有的工作现状问题。 而煤矿行业也不例外，在不断的经验摸索过程中，综采工作 也有了进一步的拓展。 如本次研究对象中的综采工作面转载机与带式输送机 联锁控制改造，在充分了解文中某煤矿运行状态，确定了 该煤矿采煤运输设备存在的问题，有针对性的提出了改造 的建议。该煤矿的设备在实际运行过程中，由于设备老 旧，一些小故障频发，而这种状态下，也严重的导致了该 煤矿综采工作效率，也存在着一系列的潜在危险因素。而 购置新设备的情况下，怕耗费的人力、物力，显然让煤矿 无法承受。因此，改造传统运输设备，是目前该煤矿最为 合理的方案。 为了充分解决目前现有煤矿运输的问题，对减速器与联 轴器的选型进行了相应了校核，以此来保证转载机与带式输 送机的有效搭接。另外，对于转载机与带式输送机能否解决 目前的问题，进一步对联锁控制改造方案做出了确定，测算 了改造后带式输送机的运输能力，考虑了倾斜可能带来的影 响因素，并将这一影响系数与运输能力公式相乘，从而保证 运输能力能够优于传统运输要求。 研究结果表明，综采工作面转载机与带式输送机联锁控 制改造中，原工作状态、原机械结构，以及工作状态下的运 行方式均是影响综采工作面的关键问题，通过研究结果得到 转载机机身长度的缩短，从而降低了机械的自重，并且保证 了机械运行过程中的高负荷由此减小；进一步得到高强度带 式输送机尾架的设计方案，以此来确保运载达到标准，提升 工作效率；另外，液压缸连接转载机尾部与液压支架的设计 及转载联锁系统的改造，能够防止绞车产生的不安全事件发 生。带式输送机机尾自动调偏滚筒的设计确定，能够防止输 送带跑偏，保证输送机的安全稳定运行。通过理论性的演 算，结合实际综采工作面的运行问题，能够有针对性的解决 现实问题。 综上所述，综采工作面转载机与带式输送机联锁控制改 造初始，需要综合考虑煤矿旧式设备存在的问题，根据现有 问题的分析，提出优化的设计方案，进而达到转载机与带式 输送机联锁控制改造的目的，提高综采工作的效率，降低运 营成本的投入。 参考文献 [1] 冯彬, 李军霞, 梁绍伟. 带式输送机盘式制动器控制系统性 能研究[J]. 煤炭技术, 2019, 038002138-141. [2] 杨瑶, 苗长云.基于以太网的带式输送机监控系统软件设计 [J]. 仪表技术与传感器, 2019 0751-56. [3] 郭浩, 熊晓燕, 郝惠敏, 等. 带式输送机电液并联式混合驱动 系统的研究[J]. 液压与气动, 20190485-89. [4] 蔺素宏, 安高成, 毋嘉豪,等. 带式输送机电液伺服张紧装置 张紧力控制研究[J]. 煤炭技术, 2019, 03805144-147. [5] 李康, 王宁, 李军霞. 液压软制动系统在下运式带式输送机 中的应用[J]. 液压与气动, 20190763-69. [6] 王松岩, 吴娟, 李琳. 步进式换带装置液压系统设计与研究 [J]. 机床与液压, 20191470-73. [7] 黄伟, 郭帅平, 范星明,等. 考虑物料因素的圆管带式输送机直 线段托辊接触力研究[J]. 煤炭学报, 2019, 44072267-2276. [8] 杨祥, 田慕琴, 李璐,等. 矿用带式输送机驱动滚筒轴承振动 信号降噪方法[J]. 工矿自动化, 2019, 450369-73. [9] 姬刘亭. 砂墩子矿井4-1煤采煤方法与设备选型设计研究 [J]. 煤炭工程, 201985-8. 作者简介杨东明 （1971-） ，男，山西阳泉人，大学本科， 机电工程师，研究领域为煤矿机械。（编辑 刁少华） [2] 陈南燕.煤矿供电线路及变电所事故防治措施探讨[J].山西能 源学院学报,2018,31426-29. [3] 李学玲,连辉林,徐耀辉.防控煤矿变电所运行事故对策探讨 [J].机电信息,20129160-161. [4] 方文杰,张乐文,陈斐.浅析煤矿电气设计无功补偿的重要性 [J].电子制作,201314214. [5] 佟冰. 浅谈煤矿矿山供电的要求及电气设备的布置分析[J]. 科技创新与应用, 201227114. [6] 钱晓永,徐耀辉,连辉林.煤矿变电所及其电气设备防雷措施 研究[J].机电信息,20121231. [7] 刘建华,周健强,李天玉,等.基于差动保护的煤矿变电站防越 级跳闸系统[J].煤矿安全,2015,46892-95. [8] 刘振华.35kV变电站继电保护存在的不足与对策[J].电子技 术与软件工程, 201320163. 作者简介闫红燕 （1977-） ，女，山西大同人，大学本科， 工程师，研究领域为煤矿机电。 （编辑 王智圣） （上接第134页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 杨东明综采工作面转载机与带式输送机联锁控制改造 213