胡萬忠

（開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063109）

引言

煤礦供電系統(tǒng)是保證礦井安全生產(chǎn)的前提，目前礦井變電站進線采用雙回路輸電線路供電。理論上講，可以配置備用電源自投裝置實現(xiàn)進線之間和進線與母聯(lián)之間的電源切換問題。但由于備用自投裝置是為沒有電動機負載的場合設(shè)計的，在煤礦供電系統(tǒng)應(yīng)用中存在以下問題：

（1）切換時間長，在恢復送電前，主風機可能已經(jīng)被切除；

（2）無相頻檢測，沖擊電流大，電動機負荷及備用變壓器易受沖擊損壞或絕緣老化縮短使用壽命；

（3）備自投原理設(shè)計不完善，遇到永久性故障，會擴大事故范圍。

（4）自投成功率低。在發(fā)生越級跳閘特別是越二級跳閘時，裝置可能會誤動。

由于以上原因，目前多數(shù)煤礦系統(tǒng)變電站未配置備自投裝置，或即使配置了也未投入使用，仍然采用人工恢復送電的方式。

按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，主扇備用電源應(yīng)能保證主扇風機在10分鐘之內(nèi)啟動和運行，保證正常通風。目前若主扇6kV常用電源因故障掉電后，投入備用電源需人工倒閘操作，期間在人工操作時，熟練司機正常操作時間至少為4～5分鐘。如果司機對倒閘操作不熟練，發(fā)現(xiàn)事故慢，對事故反應(yīng)不靈敏，通訊不暢通，那么主扇停運時間會更長，會直接影響礦井通風安全。

1 范各莊煤礦供電系統(tǒng)快速切換方案研究

1.1 技術(shù)原理

煤礦接線方式大多采用單母分段方式，接線圖可簡化如圖1-1所示。圖中進線1、2可以是線路、主變、線路-變壓器組等對母線進行供電的變配電設(shè)備的一種。

圖1-1 單母分段主接線

系統(tǒng)正常運行時，母線1由進線1供電，母線2由進線2供電。即進線開關(guān)1DL、2DL閉合，分段開關(guān)3DL斷開。主要負荷為異步電動機。

供電系統(tǒng)采用單母線分段供電時，當進線1或進線2發(fā)生故障時，保護動作，跳開進線1開關(guān)或進線2開關(guān)后母線1或母線2失電，電動機將惰行。由于負荷多為異步電動機，對單臺電機而言，工作電源切斷后電動機定子電流變?yōu)榱悖D(zhuǎn)子電流逐漸衰減，由于機械慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從額度值逐漸減速，轉(zhuǎn)子電流磁場將在定子繞組中反向感應(yīng)電勢，形成反饋電壓。

圖1-2給出了母線殘壓和備用電源電壓角差變化和殘壓幅值衰減示意圖，研究表明，當失電剛發(fā)生時，通過控制合閘時的頻差和相角差，可以使得電動機繞組承受的沖擊電壓小于電動機的允許起動電壓，即不超過機端額定電壓的1.1倍，從而既實現(xiàn)了快速合上備用電源，又避免了對電網(wǎng)和設(shè)備的強烈沖擊，這就是所謂的“快速切換”，適合快速切換的時機在圖中以區(qū)域1表示。在區(qū)域2，殘壓與備用電源電壓處于第一次相位重合點附近，如果能在此時合閘，則對電動機的沖擊也不大，電動機將很快進入穩(wěn)定點，轉(zhuǎn)入正常運行，這就是“同期捕捉”。

圖1-2 母線殘壓與備用電源角差和幅值示意圖

以極坐標形式繪出的失電母線殘壓相量變化軌跡如圖1-3所示。

圖1-3 母線殘壓相量變化軌跡

圖中VD為#1母線殘壓，VS為備用電源電壓（即#2母線電壓），△U為兩個母線間的差壓。

在實現(xiàn)快速切換時，母線的電壓降落、電動機轉(zhuǎn)速下降都很小，電動機的自起動電流也不大。切換過程中相關(guān)的電壓、電流錄波曲線如圖1-4所示。

圖1-4 快速切換時的電流電壓波形

1.2 快速切換分類

（1）同期捕捉切換

圖1-3中，過B點后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點后至CD段實現(xiàn)的切換以前通常稱為“延時切換”或“短延時切換”。因不同的運行工況下頻率或相位差的變化速度相差很大，因此用固定延時的辦法很不可靠，現(xiàn)在已不再采用。利用快切裝置的功能，實時跟蹤殘壓的頻差和角差變化，實現(xiàn)C-D段的切換，特別是捕捉反饋電壓與備用電源電壓第一次相位重合點實現(xiàn)合閘，這就是“同期捕捉切換”。

在同期判別過程中，計算出備用電源電壓與殘壓之間相角差速度及加速度，按照設(shè)定的備用電源開關(guān)的合閘時間進行計算得出合閘提前量，從而保障了在殘壓與目標電壓在第一次相位重合時合閘。減少了對旋轉(zhuǎn)負載的沖擊。采用同期判別切換可以控制對電動機的沖擊，但由于需要等待電機殘壓與備用母線電壓相位差較小的時刻，供電中斷時間約為0.4～0.6s。

同期捕捉切換過程中，相關(guān)的電壓電流錄波曲線如圖1-5所示。

圖1-5 同期捕捉切換時的電流電壓波形

（2）殘壓切換

當母線電壓衰減到20%-40%額定電壓后實現(xiàn)的切換通常稱為“殘壓切換”。殘壓切換雖能保證電動機安全，但由于停電時間過長，電動機自起動成功與否、自起動時間等都將受到較大限制。

該切換可作為快速切換及同期判別功能的后備，以提高切換的成功率。殘壓切換的判據(jù)比較簡單，不需要檢測備用電源電壓與母線殘壓之間的相角差，故只需設(shè)定最大允許殘壓定值。

（3）長延時切換

當某些情況下，母線上的殘壓有可能不易衰減，此時如殘壓定值設(shè)置不當，可能會推遲或不再進行合閘操作?；蛘弋攤溆脗?cè)容量不足以承擔全部負載，甚至不足以承擔通過殘壓切換過去的負載的自起動時。只能考慮長延時切換。傳統(tǒng)的備自投回路是依靠電磁式繼電器的接點動作來啟動的，其主要缺點有切換動作時間長，切換成功率低，以及沖擊電流大等等，而快切裝置卻正好可以彌補以上所說的幾項不足。

2 快切裝置應(yīng)用

2.1 快切裝置的應(yīng)用條件

（1）應(yīng)具備兩個獨立供電電源：工作電源和備用電源，兩個開關(guān)電源閉鎖；正常運行時，兩電源電壓之間允許一定的相角差，但一般不宜大于20°。

（2）應(yīng)配置有快速斷路器：少油式斷路器因其合分閘時間較長，不適合應(yīng)用于廠用電系統(tǒng)的切換。而目前大范圍應(yīng)用的真空斷路器，其動作時間一般在40～80ms，適用于快速切換。

（3）發(fā)電機組和廠用工作電源應(yīng)配備快速動作保護繼電器，目前廣泛使用的微機保護繼電器均可使用,作為以上三種切換的總后備。

2.2 范各莊礦快切裝置的應(yīng)用實例

2.2.1 畢各莊風井現(xiàn)有配電室現(xiàn)狀簡介

現(xiàn)場安裝有8臺KYN28A高壓配電柜，原有2條電源進線來自上級同一個變電站的2個母線（開灤林西熱電公司），兩條進線操作號分別為6103、6203。

正常情況下，運行方式為母聯(lián)開口冷備用，兩條進線電源分列運行，2臺風機只有1臺在運行狀態(tài)，2條常用電源進線任意一條均可帶全部母線負荷。當任何一條進線電源出現(xiàn)跳閘斷電事故時，由現(xiàn)場風車司機手動恢復送電，操作用時至少為4～5分鐘，恢復主扇通風時間較長。

2.2.2 畢各莊風井快切裝置實施方案

圖2-1為畢各莊風井高壓室完善系統(tǒng)簡化圖，通過完善畢各莊風井高壓室并安裝電源快速切換裝置，用以實現(xiàn)風井6kV工作主扇風機6kV進線或上級供電系統(tǒng)故障時的電源快速切換，確保工作主扇風機不因進線或其上級電網(wǎng)故障而停運，從而省略了比較耗時的人工緊急啟動備用風機過程。

圖2-1 畢各莊風井高壓室完善系統(tǒng)簡化圖

考慮到畢各莊風井現(xiàn)有的2路電廠6kV進線電源上級35kV線路全停時，無法在短時間內(nèi)啟動主扇風機，在畢各莊風井內(nèi)需新建1個配電室、原配電室2#進線母線段新增1臺高壓柜、1臺S11-M-400/6/0.4變壓器、2臺低壓開關(guān)柜，新建配電室包括安裝5臺6kV開關(guān)柜、1臺S11-M-400/6/0.4變壓器、2臺低壓開關(guān)柜。同時由畢各莊變電站至風井新配電室敷設(shè)300米MYJV22-6/6-3×185高壓電纜，增加1路供電局6kV電源進線。

實現(xiàn)2路電廠6kV進線電源的閉鎖快速切換，其中6kV母聯(lián)開關(guān)合閘運行，2路電廠6kV電源閉鎖互切。電廠系統(tǒng)母線段聯(lián)絡(luò)開關(guān)與供電局系統(tǒng)母線段聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘運行，井下供電局來線6112開關(guān)手車拉出（此手車進出為電動），與電廠兩路進線開關(guān)狀態(tài)閉鎖。當2路電廠6kV電源同時失壓時，先斷開2路電廠進線開關(guān)，使用備自投電動推入1路供電局6kV電源手車后，投入供電局來線電源。

2路電廠6kV電源與1路供電局6kV電源閉鎖，能夠防止6kV進線電源誤合環(huán)發(fā)生供電事故。同時在檢修狀態(tài)下，可以退出快速切換功能。

2.2.3 畢各莊風井快切裝置優(yōu)先選用分析

快速切換過程涉及到的開關(guān)為6103、6203和供電公司6112開關(guān)。6103、6203和供電公司6112開關(guān)合閘的動作順序可以設(shè)置成3種切換方式，優(yōu)缺點對比分析如下：

（1）并聯(lián)切換方式：按“先合后斷”的原則，先合上備用電源，兩電源短時并列，然后發(fā)跳閘指令，跳開工作電源，但是如果在切換過程中，機組或工作電源發(fā)生故障，由于電源的并列，將加劇故障，擴大事故范圍，因此，并聯(lián)切換禁止使用于事故切換，但是手動切換過程中仍可能存在上述風險。

（2）串聯(lián)切換方式：按“先斷后合”的原則，先跳開工作電源，確認工作開關(guān)跳開后，再發(fā)合閘指令，將備用電源投入，由于串聯(lián)切換時間長，一般都在150ms以上，因此切換時對系統(tǒng)和設(shè)備造成的沖擊較大，而且由于允許切換的條件之一是工作電源的成功分閘，其輔助接點的可靠性也是影響成功與否的因素之一。

（3）同時切換方式：按“同時斷合”的原則，同時發(fā)出斷路器的分、合閘指令，系統(tǒng)實際無流時間僅為斷路器合、分閘時間之差，一般不超過15ms，所以快速切換可達到極短的切換時間，滿足系統(tǒng)對沖擊電流的要求，切換成功率高，安全性好。

經(jīng)過3種快速切換方式比較，優(yōu)先選用同時切換方式，能夠?qū)崿F(xiàn)當正在使用的常用電源掉電時，通過快切裝置能夠在15ms以內(nèi)實現(xiàn)3路電源的快速投入，實現(xiàn)畢各莊風井主扇連續(xù)運轉(zhuǎn)，杜絕礦井停風事故的發(fā)生。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在畢各莊風井高壓室安裝電源快速切換裝置，實現(xiàn)了畢各莊風井6kV工作主扇風機6kV進線或上級供電系統(tǒng)故障時的電源快速切換，確保工作主扇風機不因進線或其上級電網(wǎng)故障而停運，從而省略了比較耗時的人工緊急啟動備用風機過程，保證了畢各莊主通風連續(xù)運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

主扇備用電源自動切換系統(tǒng)投入后能夠保障主扇風機運行可靠，發(fā)生掉電事故后實現(xiàn)快速切換。結(jié)合近些年，尤其今年以來因上級電廠35kV電源波動或中斷對范各莊礦東風井、畢各莊風井主扇影響，投入自動投切系統(tǒng)后，能夠降低受影響危害程度，將主扇電源自動快速切換到備用電源上，保證了主扇的正常、連續(xù)運轉(zhuǎn)。該項目實施后，消除了因主扇司機人員素質(zhì)參差不齊及安全狀況等不穩(wěn)定因素給主扇正常運行帶來的安全隱患，有利于進一步通過技術(shù)手段穩(wěn)定職工隊伍，具有較大的社會效益，對保證礦井安全運行具有良好的效果。