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摘 要：本文通过对青龙煤矿供电系统结构及运行情况进行全面分析，发现影响矿井供电系统稳定运行的主要因素有以下几个方面：一是矿井架空线路遭受雷击引起本矿线路上级的开关跳闸或重合闸导致矿井大面积停电；二是电网波动或上级电网重合闸引起本矿供电系统失压动作或系统跳闸导致矿井大面积停电；三是本矿供电系统近端短路引起越级跳闸导致矿井大面积停电。针对以上影响矿井供电系统稳定运行的三大主要因素，我们采取了架空线路架设全线避雷线、分段避雷器引雷、重点位置安设主动引雷器等综合防雷措施；矿井供电系统保护装置失压延时设计；系统短路速断广播式通讯闭锁防越级跳闸保护等措施。实践证明，通过以上措施的实施，能有效提高矿井供电系统的稳定性与可靠性，有效避免矿井供电事故的发生。
关键词：煤矿供电系统；可靠性与稳定性；治理；实践
中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）36-0139-02
1 前 言
供电系统是煤矿最重要的系统之一，其为全矿保安及生产负荷提供动力来源，对矿井安全生产起着至关重要的作用。然而在煤矿供电系统实际运行中，往往存在雷电干扰、上级电网波动、矿井线路或设备近母线（特别是6～10kV系统）短路等事故，这些事故往往会引起矿井电网大面积波动，由于系统瞬间失压或瞬间电压过低而导致失压脱扣机构动作、近端短路时由于短路电流过大，加之继电保护时差的精度以及断路器动作时间差异性等诸多因素的影响，会导致系统越级跳闸，引起矿井大面积停电事故的发生，对矿井安全生产造成极大的威胁。目前，矿山架空线路多采用变电所和变电所出入点安设避雷器的方式进行系统防雷，很少有煤矿架设架空避雷线实现全线避雷，综合的防雷和抗波动治理方案，在防止短路引起的越级跳闸方面，目前主要采用基于故障工频分量的阶段式电流保护原理，但我国矿山配电线路大都是由多段较短线路所组成的逐级控制干线式纵向网络，由于线路阻抗较小且线路较短，造成各段短路电流幅值相差较小，而时限设定又受上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的约束，不能根据时限配合式继电保护构成有效的纵向选择性短路保护系统，发生短路故障导致越级跳闸常有发生。针对存在的这些问题，青龙煤矿在传统的防雷设施要求基础上，采取对矿井架空线路架设全线避雷线、沿线路分段安设阀型避雷器将雷电就近引入大地、线路至高点等重点位置安设主动引雷器等综合防雷措施，防止雷电对矿井供电线路造成的灾害；对矿井供电系统保护装置进行失压延时电路设计，以解决电网波动对系统造成的影响；采用系统短路速断广播式通讯闭锁防越级跳闸保护技术，即采用CAN总线通信和光纤通信复合式级联的方式，实现大容量短路情况下配电线路的防越级选择性保护。
2 青龙煤矿供电系统概况及可靠性分析
青龙煤矿位于黔西县谷里镇，设计年生产能力120万t/年，矿井保安负荷约3500kW、正常生产负荷约2800kW，即正常生产时矿井总负荷约为6300kW。矿井设有独立的35kV变电所，电压等级为35kV/10kV，共安设两台主变（一台8000kVA和一台12500kVA），本矿进线柜作为开口点。矿井采用两回35kV架空线路供电，一路来自甘棠变电站35kV ？啬段母线经35kV甘青线接入，另一路来自望城坡变电站35kV ？啬段母线经35kV望青线接入，其中望青线全长12.9km，甘青线全长7.5km。由于两条线路途经山区强雷地带，雷雨季节遭受雷电灾害非常严重，电网稳定性较差。
矿井地面生产及保安负荷主要采用10kV电压供电，分别在各生产及保安负荷的机房配有10kV高压配电室，由35kV变电所10kV Ⅰ、Ⅱ段母线向各高压配电室供电，形成双回路电源；井下设有中央变电所和两个采区变电所，中央变电所电源分别取自矿井35kV变电所10kVⅠ、Ⅱ段母线，形成双回路供电，各采区变电所电源由中央变电所10kVⅠ、Ⅱ段母线馈出，形成双回路电源，各生产场所电源由就近的变电所取入。矿井各主要变电所及重要负荷的两回路电源采用分列运行方式，当一回路故障时，另一回路能承担相应系统的全部负荷。
矿井各级系统保护都使用目前较为先进的微机综合保护装置，各级继电保护定值和动作级差较为规范并按规定每半年梳理更新1次，系统出现较大变化时立即进行更新，系统避雷系统符合规范要求。一般情况下系统能满足安全运行的需要，但是当上级电网大面积波动、区域电网相关线路遭受雷击、重合闸、矿井本身线路近端短路等极端情况时，系统很难实现选择性的保護动作要求，时而会出现矿井大面积停电事故，给矿井安全生产带来极大的威胁。
3 矿井供电系统存在的主要问题及解决方案
3.1 矿井架空线路遭受雷击引起本矿线路上级开关跳闸或重合闸引起矿井大面积停电
3.1.1 主要问题
由于青龙煤矿的两条架空线路均处于山区强雷地带，雷雨季节遭受雷电灾害非常严重，当本线路遭受雷击时，常出现过电压引起系统薄弱点绝缘击穿、雷电引起架空线路弧光短路等情况，造成上级变电站馈出线路继电保护动作跳闸或重合闸等情况发生，这些情况要么造成系统停电、要么引起电网波动，均会对矿井安全供电造成极大的威胁。
3.1.2 解决方案
为避免或减少自身架空线路遭受雷击引起供电系统事故，青龙煤矿在传统的防雷设施要求基础上，采取对矿井架空线路全程架设避雷线、沿线路分段安设阀型避雷器将雷电就近引入大地、线路至高点等易遭受雷击的重点位置安设主动引雷器等综合防雷措施，防止因雷电对矿井供电线路造成的灾害。
（1）矿井主运行架空线路全线避雷措施
通过对两条线路运行质量及两条线路沿线进行分析，我们确定甘青线为矿井主运行回路，对本条线路进行了改造，增设导线上方的架空避雷线，形成可靠的架空避雷接地系统，能有效将直击雷经架空接地线引入大地，防止直击雷对架空线路的破坏。 （2）线路分段增设避雷器，实现线路分段引雷
分段引雷主要是防止本系统架空线路遭受侧向球雷袭击或其它相临线路遭受雷击造成过电压对本系统的破坏。为此，我们在架空线两端的起始杆和终端杆以及架空线进入变电所的前端各增加2组氧化锌阀型避雷器，同时在线路中部分别增加了2组氧化锌阀型避雷器，将各区段雷击过电压就地引流，实现了对两端变电所设施的保护，减小电网受影响的范围，提高了本电网的稳定性。
（3）架空线经过的至高点安设主动引雷器
为进一步增强矿井供电线路抗雷电的能力，及时发现和解决存在的隐患，每次雷电天气过后，我们都安排专人进行巡线，如实寻找和记录每次发生在线路的落雷点，结果发现，90%以上的雷击点在线路至高点或其附近，经研究，在线路至高点安设主动引雷器，该引雷器保护半径可达105m，可通过引雷器预放电将雷电预先引入大地，避免雷电击中高点线路。
3.2 电网波动或上级电网重合闸引起本矿供电系统失压动作或系统跳闸
3.2.1 主要问题
电网波动主要是由于上级电网因故重合闸，同一变电所馈出相临线路遭受雷击造成弧光短路、用电线路发生大容量短路或高压电机线圈短路等，波动时电网电压会急剧下降，严重时就会造成供配电线路上的保护器因失压而失效或失压脱扣线圈失压动作，造成矿井大面积停电事故的发生。
3.2.2 解决方案
青龙煤矿改造前使用的隔爆型高压真空配电开关、隔爆型低压真空馈电开关都是弹簧操作机构的开关，当供电系统遇到雷电干扰（含上级变电站或其馈出线路）、母线上某台分开关下接电路近端短路、系统重合闸等情况造成母线瞬间失压或电压过低时，使开关的保护装置和失压线圈失压而误跳闸，是引发大面积停电事故的主要原因，而该类故障一般持续时间较短（约为0.1～0.5s）。为了解决这个问题，我们对开关的保护装置和无压释放电路进行针对性改造。即在保护装置内增加阻容蓄能模块，该模块经保护器控制接点并接到失压线圈两端，开关合闸后，保护器接点闭合，失压线圈吸合的同时，阻容蓄能模块充电；当母线失压时，阻容蓄能模块向失压线圈放电，保持失压线圈吸合，开关不因系统瞬间失电或瞬间电压过低而脱扣跳闸。阻容蓄能模块的能量可以保持失压线圈最大吸合时间5s，可以通过在智能保护器上设置失压保护动作时间通过保护器控制接点切除阻容蓄能模块和驱动分励脱扣线圈，实现开关失压保护。这样既实现了开关的失压保护功能，又保证了开关不会因为外部原因引起瞬间失压或瞬间电压过低而脱扣跳闸，提高了矿井供电系统的抗波动能力。
3.3 系统近端短路引起越级跳闸
3.3.1 存在问题
改造前，青龙煤矿供电系统采用基于故障工频分量的阶段式电流保护原理来实现系统的选择性保护，这样的保护结构要求有一定的过流保护值差和时差，由于矿井供电系统级数较多，若每一级值差和时差都设置到足够大，当逐级推到矿井变电所的进线柜时，就超出了规定的限值，且值差和时差都超过了上级变电站馈出柜的定值，而上级馈出柜的定值由地方供电部门统一管理，无法进行更改，导致我矿的保护定值无法按需要设置。同时，我矿10kV系统为由多段较短线路组成的逐级控制干线式纵向网络，由于每段线路间的阻抗较小，造成各段短路电流幅值相差较小，时限设定又受上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的约束，不能根据时限配合式继电保护构成有效的纵向选择性短路保护系统，发生短路故障导致越级跳闸的事故时有发生。
3.3.2 解决方案
采用基于广播式通讯闭锁的防越级保护系统，该系统采用CAN总线通信和光纤通信复合式级联的方式，将系统中各级开关组成独立的防越级跳闸系统，即将同一级变电站所辖的所有开关接入CAN总线，利用CAN总线具有优先权和仲裁功能的特点，形成多主机局部网络，避免点对点通信方式所带来的逐级增加的通信延时。当开关检测到故障电流时，即向总线上传跳闸指令（即故障信息），在供电系统中不同位置的开关根据预先设定的开关级别及本身所检测到的故障电流进行故障位置判断。不同变电所，如上级变电所出线开关与下级变电所进线开关之间采用专用的光纤联接，传递由CAN协议转换成以太网协议的跳闸指令，以此避免长距离通讯对CAN总线通信的影响。
如图1所示。
当d2点发生短路时，开关5-1均检测到短路故障信号，最下一级开关（即开关5）在执行速断命令的同时闭锁其上级的所有开关（即开关1-4），避免开关1-4检测到相应的短路故障信号而越级跳闸，缩小停电范围，若开关5在设定的时限内因故障未执行跳闸（即拒动），则开关4解除闭锁而执行跳闸任务，以此类推，直至故障信号消失；当d1点发生短路时，开关3-1检测到短路故障信号，而开关4和5未检测到，此时开关3自动判断其自身为最下一级开关，在执行速断的同时闭锁开关3-1，同理若其拒动则依次解除开关2和1的闭锁，实现广播式逐级后备保护。
4 结束语
（1）煤矿供电系统稳定性治理是一项极其复杂的系统工程，必须采取综合的治理措施方能真正达到安全可靠的要求。
（2）全线避雷能有效防止雷电灾害，大大提高供电可靠性，避免雷电造成矿井重大灾害，应作为煤矿供电系统防雷的主要措施加以推广。
（3）煤矿主要供电开关的保护装置和无压释放电路进行储能延时设计，以躲过瞬间电压陡降时的电压谷底，能有效防止电网波动造成的系统误动作。
（4）采用基于广播式通讯闭锁的防越级保护系统，是目前最为有效的电网选择性保护方式，能有效防止越级跳闸问题。
参考文献
[1]梅中健，曾剑文.基于高速工業网的防越级跳闸解决方案[J].煤矿机电，2014，34（3）：85～88.
收稿日期：2018-11-10
作者简介：骆弟华（1982-），贵州开阳人，工程师，从事机电管理工作。
关键词：煤矿供电系统；可靠性与稳定性；治理；实践
中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）36-0139-02
1 前 言
供电系统是煤矿最重要的系统之一，其为全矿保安及生产负荷提供动力来源，对矿井安全生产起着至关重要的作用。然而在煤矿供电系统实际运行中，往往存在雷电干扰、上级电网波动、矿井线路或设备近母线（特别是6～10kV系统）短路等事故，这些事故往往会引起矿井电网大面积波动，由于系统瞬间失压或瞬间电压过低而导致失压脱扣机构动作、近端短路时由于短路电流过大，加之继电保护时差的精度以及断路器动作时间差异性等诸多因素的影响，会导致系统越级跳闸，引起矿井大面积停电事故的发生，对矿井安全生产造成极大的威胁。目前，矿山架空线路多采用变电所和变电所出入点安设避雷器的方式进行系统防雷，很少有煤矿架设架空避雷线实现全线避雷，综合的防雷和抗波动治理方案，在防止短路引起的越级跳闸方面，目前主要采用基于故障工频分量的阶段式电流保护原理，但我国矿山配电线路大都是由多段较短线路所组成的逐级控制干线式纵向网络，由于线路阻抗较小且线路较短，造成各段短路电流幅值相差较小，而时限设定又受上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的约束，不能根据时限配合式继电保护构成有效的纵向选择性短路保护系统，发生短路故障导致越级跳闸常有发生。针对存在的这些问题，青龙煤矿在传统的防雷设施要求基础上，采取对矿井架空线路架设全线避雷线、沿线路分段安设阀型避雷器将雷电就近引入大地、线路至高点等重点位置安设主动引雷器等综合防雷措施，防止雷电对矿井供电线路造成的灾害；对矿井供电系统保护装置进行失压延时电路设计，以解决电网波动对系统造成的影响；采用系统短路速断广播式通讯闭锁防越级跳闸保护技术，即采用CAN总线通信和光纤通信复合式级联的方式，实现大容量短路情况下配电线路的防越级选择性保护。
2 青龙煤矿供电系统概况及可靠性分析
青龙煤矿位于黔西县谷里镇，设计年生产能力120万t/年，矿井保安负荷约3500kW、正常生产负荷约2800kW，即正常生产时矿井总负荷约为6300kW。矿井设有独立的35kV变电所，电压等级为35kV/10kV，共安设两台主变（一台8000kVA和一台12500kVA），本矿进线柜作为开口点。矿井采用两回35kV架空线路供电，一路来自甘棠变电站35kV ？啬段母线经35kV甘青线接入，另一路来自望城坡变电站35kV ？啬段母线经35kV望青线接入，其中望青线全长12.9km，甘青线全长7.5km。由于两条线路途经山区强雷地带，雷雨季节遭受雷电灾害非常严重，电网稳定性较差。
矿井地面生产及保安负荷主要采用10kV电压供电，分别在各生产及保安负荷的机房配有10kV高压配电室，由35kV变电所10kV Ⅰ、Ⅱ段母线向各高压配电室供电，形成双回路电源；井下设有中央变电所和两个采区变电所，中央变电所电源分别取自矿井35kV变电所10kVⅠ、Ⅱ段母线，形成双回路供电，各采区变电所电源由中央变电所10kVⅠ、Ⅱ段母线馈出，形成双回路电源，各生产场所电源由就近的变电所取入。矿井各主要变电所及重要负荷的两回路电源采用分列运行方式，当一回路故障时，另一回路能承担相应系统的全部负荷。
矿井各级系统保护都使用目前较为先进的微机综合保护装置，各级继电保护定值和动作级差较为规范并按规定每半年梳理更新1次，系统出现较大变化时立即进行更新，系统避雷系统符合规范要求。一般情况下系统能满足安全运行的需要，但是当上级电网大面积波动、区域电网相关线路遭受雷击、重合闸、矿井本身线路近端短路等极端情况时，系统很难实现选择性的保護动作要求，时而会出现矿井大面积停电事故，给矿井安全生产带来极大的威胁。
3 矿井供电系统存在的主要问题及解决方案
3.1 矿井架空线路遭受雷击引起本矿线路上级开关跳闸或重合闸引起矿井大面积停电
3.1.1 主要问题
由于青龙煤矿的两条架空线路均处于山区强雷地带，雷雨季节遭受雷电灾害非常严重，当本线路遭受雷击时，常出现过电压引起系统薄弱点绝缘击穿、雷电引起架空线路弧光短路等情况，造成上级变电站馈出线路继电保护动作跳闸或重合闸等情况发生，这些情况要么造成系统停电、要么引起电网波动，均会对矿井安全供电造成极大的威胁。
3.1.2 解决方案
为避免或减少自身架空线路遭受雷击引起供电系统事故，青龙煤矿在传统的防雷设施要求基础上，采取对矿井架空线路全程架设避雷线、沿线路分段安设阀型避雷器将雷电就近引入大地、线路至高点等易遭受雷击的重点位置安设主动引雷器等综合防雷措施，防止因雷电对矿井供电线路造成的灾害。
（1）矿井主运行架空线路全线避雷措施
通过对两条线路运行质量及两条线路沿线进行分析，我们确定甘青线为矿井主运行回路，对本条线路进行了改造，增设导线上方的架空避雷线，形成可靠的架空避雷接地系统，能有效将直击雷经架空接地线引入大地，防止直击雷对架空线路的破坏。 （2）线路分段增设避雷器，实现线路分段引雷
分段引雷主要是防止本系统架空线路遭受侧向球雷袭击或其它相临线路遭受雷击造成过电压对本系统的破坏。为此，我们在架空线两端的起始杆和终端杆以及架空线进入变电所的前端各增加2组氧化锌阀型避雷器，同时在线路中部分别增加了2组氧化锌阀型避雷器，将各区段雷击过电压就地引流，实现了对两端变电所设施的保护，减小电网受影响的范围，提高了本电网的稳定性。
（3）架空线经过的至高点安设主动引雷器
为进一步增强矿井供电线路抗雷电的能力，及时发现和解决存在的隐患，每次雷电天气过后，我们都安排专人进行巡线，如实寻找和记录每次发生在线路的落雷点，结果发现，90%以上的雷击点在线路至高点或其附近，经研究，在线路至高点安设主动引雷器，该引雷器保护半径可达105m，可通过引雷器预放电将雷电预先引入大地，避免雷电击中高点线路。
3.2 电网波动或上级电网重合闸引起本矿供电系统失压动作或系统跳闸
3.2.1 主要问题
电网波动主要是由于上级电网因故重合闸，同一变电所馈出相临线路遭受雷击造成弧光短路、用电线路发生大容量短路或高压电机线圈短路等，波动时电网电压会急剧下降，严重时就会造成供配电线路上的保护器因失压而失效或失压脱扣线圈失压动作，造成矿井大面积停电事故的发生。
3.2.2 解决方案
青龙煤矿改造前使用的隔爆型高压真空配电开关、隔爆型低压真空馈电开关都是弹簧操作机构的开关，当供电系统遇到雷电干扰（含上级变电站或其馈出线路）、母线上某台分开关下接电路近端短路、系统重合闸等情况造成母线瞬间失压或电压过低时，使开关的保护装置和失压线圈失压而误跳闸，是引发大面积停电事故的主要原因，而该类故障一般持续时间较短（约为0.1～0.5s）。为了解决这个问题，我们对开关的保护装置和无压释放电路进行针对性改造。即在保护装置内增加阻容蓄能模块，该模块经保护器控制接点并接到失压线圈两端，开关合闸后，保护器接点闭合，失压线圈吸合的同时，阻容蓄能模块充电；当母线失压时，阻容蓄能模块向失压线圈放电，保持失压线圈吸合，开关不因系统瞬间失电或瞬间电压过低而脱扣跳闸。阻容蓄能模块的能量可以保持失压线圈最大吸合时间5s，可以通过在智能保护器上设置失压保护动作时间通过保护器控制接点切除阻容蓄能模块和驱动分励脱扣线圈，实现开关失压保护。这样既实现了开关的失压保护功能，又保证了开关不会因为外部原因引起瞬间失压或瞬间电压过低而脱扣跳闸，提高了矿井供电系统的抗波动能力。
3.3 系统近端短路引起越级跳闸
3.3.1 存在问题
改造前，青龙煤矿供电系统采用基于故障工频分量的阶段式电流保护原理来实现系统的选择性保护，这样的保护结构要求有一定的过流保护值差和时差，由于矿井供电系统级数较多，若每一级值差和时差都设置到足够大，当逐级推到矿井变电所的进线柜时，就超出了规定的限值，且值差和时差都超过了上级变电站馈出柜的定值，而上级馈出柜的定值由地方供电部门统一管理，无法进行更改，导致我矿的保护定值无法按需要设置。同时，我矿10kV系统为由多段较短线路组成的逐级控制干线式纵向网络，由于每段线路间的阻抗较小，造成各段短路电流幅值相差较小，时限设定又受上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的约束，不能根据时限配合式继电保护构成有效的纵向选择性短路保护系统，发生短路故障导致越级跳闸的事故时有发生。
3.3.2 解决方案
采用基于广播式通讯闭锁的防越级保护系统，该系统采用CAN总线通信和光纤通信复合式级联的方式，将系统中各级开关组成独立的防越级跳闸系统，即将同一级变电站所辖的所有开关接入CAN总线，利用CAN总线具有优先权和仲裁功能的特点，形成多主机局部网络，避免点对点通信方式所带来的逐级增加的通信延时。当开关检测到故障电流时，即向总线上传跳闸指令（即故障信息），在供电系统中不同位置的开关根据预先设定的开关级别及本身所检测到的故障电流进行故障位置判断。不同变电所，如上级变电所出线开关与下级变电所进线开关之间采用专用的光纤联接，传递由CAN协议转换成以太网协议的跳闸指令，以此避免长距离通讯对CAN总线通信的影响。
如图1所示。
当d2点发生短路时，开关5-1均检测到短路故障信号，最下一级开关（即开关5）在执行速断命令的同时闭锁其上级的所有开关（即开关1-4），避免开关1-4检测到相应的短路故障信号而越级跳闸，缩小停电范围，若开关5在设定的时限内因故障未执行跳闸（即拒动），则开关4解除闭锁而执行跳闸任务，以此类推，直至故障信号消失；当d1点发生短路时，开关3-1检测到短路故障信号，而开关4和5未检测到，此时开关3自动判断其自身为最下一级开关，在执行速断的同时闭锁开关3-1，同理若其拒动则依次解除开关2和1的闭锁，实现广播式逐级后备保护。
4 结束语
（1）煤矿供电系统稳定性治理是一项极其复杂的系统工程，必须采取综合的治理措施方能真正达到安全可靠的要求。
（2）全线避雷能有效防止雷电灾害，大大提高供电可靠性，避免雷电造成矿井重大灾害，应作为煤矿供电系统防雷的主要措施加以推广。
（3）煤矿主要供电开关的保护装置和无压释放电路进行储能延时设计，以躲过瞬间电压陡降时的电压谷底，能有效防止电网波动造成的系统误动作。
（4）采用基于广播式通讯闭锁的防越级保护系统，是目前最为有效的电网选择性保护方式，能有效防止越级跳闸问题。
参考文献
[1]梅中健，曾剑文.基于高速工業网的防越级跳闸解决方案[J].煤矿机电，2014，34（3）：85～88.
收稿日期：2018-11-10
作者简介：骆弟华（1982-），贵州开阳人，工程师，从事机电管理工作。