礦井供電安全性的研究與應用
1 問題的提出
煤礦供電係統包括電源、配電網絡和用電設備。煤礦供電設計的安全性涉及導體、開關、變壓器、繼電保護、防雷接地和通信等諸多方麵，其中容易忽略的一點是在確定電源點和礦井配電係統時，對運行方式的選擇。選定合理的供電電源，是保證礦井供電安全的設計基礎。筆者在實際工作中，發現一些同誌對供電的安全性考慮不周，主要表現為：選擇電源點時，僅滿足於就近解決的原則，對所選的電源點資料收集不夠，了解不深；在礦井配電係統設計中，礦井變電所還在采用兩台變壓器“一用一備”的運行方式，導致礦井供電的安全性降低。由於電源點的選定和礦井變電所運行方式決定著變壓器台數和電氣主接線方式，影響到礦井供電的安全性和礦井建設的投資、運營成本，因此，應該深入探討。
2 供電電源的確定
礦井兩回供電電源的引入有兩種方式：第一種引自域外供電網絡同一電源變電所的不同母線段，第二種方式引自域外供電網絡不同的電源變電所。由於礦井常常處於供電網絡的末端，所以設計中經常采用第一種方式。在供電係統說明書中，一些同誌隻描述電源變電所的地理位置、主變容量、距礦井變電所的距離，依據礦井的計算負荷校驗，就得出電源可以滿足礦井供電要求的結論。這種論證方式的缺陷在於缺少對電源點的現狀加以評價：該電源點已經帶有多少負荷?線路、變壓器還有多少富裕供電能力?該電源變電所有無出線間隔和出線走廊?若電力部門承諾擴建，隨著本項目的建設，該電源變電所擴容的時問和速度能否與礦井建設同步?該電源變電所采取何種運行方式?隻有回答了這些問題,才能對電源點的可靠性得出準確結論。例如,某礦井兩回電源采用35kV 電壓等級引至地方1l～35kV變電站。由於110 ／35kV變電站主變壓器供電能力不足，電力部門承諾增加一台變壓器，與原主變壓器並列運行。粗看起來，110 ／ 35kV變電站改造後可以滿足礦井供電的需求。其實,110 ／35kV變電站所采用的運行方式決定了該電源點隻滿足了礦井用電負荷這一個條件，而不能滿足“礦井應有兩回路電源線路”? 的供電要求。因為1 l ～35kV變電站新增變壓器與原主變壓器采用並列運行方式，其二次側(35kV 側)隻能為單母線運行。礦井的兩回電源線都接在了35kV 一個運行母線上，當發生故障時，母線一旦失電，礦井兩回線路會同時斷電。該電源變電所隻能作為一個電源點對待，礦井的另一回電源，隻好引自係統的另一變電所。隻有電源變電所兩段母線分列運行時，接於兩段母線的饋電線路才能構成兩回路電源，這是由一個
電源變電所引出兩回電源的必要條件。可見，電源變電所的運行方式，也影響到礦井供電電源點的確定。
3 礦井變電所的運行
隨著煤炭工業現代化的發展，礦井機械化、自動化程度的不斷提高，礦井負荷增加引起了礦井變電所的容量增大。礦井變電所的電源電壓常采用35kV 或1 1 0 k V ，造成礦井變電所與地方電力公司的供電網絡同網運行， 使相互問的調度聯絡更緊密、繼電保護要求更高，礦井變電所常常需要服從域外供電網絡安全運行的要求。在這種情況下，對於礦井變電所的運行方式更需要注意。礦井變電所有兩台變壓器
分列運行和兩台變壓器一用一備運行這樣兩種方式。主張礦井變電所兩台主變壓器“一用一備”運行方式的同誌認為：對域外電力係統來說，礦井是用電戶，從電源線路進線開關往後，都是負載，隻要兩回電源線路一回工作( 一台主變投入) ，另一回帶電備用( 另一台主變不投入) ，就可以滿足礦井供電的要求，還節約了供電貼費。這種觀點從供電部門和用戶角度看，似乎有道理。其實，是把礦井用電的管理權與礦井變電所屬性混淆了。礦井配電網絡並不僅僅限於一個變電所，而是由地麵、井下多個變電所組成。在“一用一備”運行方式中，礦井變電所的二次母線隻能處在單母線運行方式。礦井範圍內的全部用電設備都處在一個運行母線上，形成一個電源兩回線路的工作模式。其後果是把礦井一級負荷的供電方式都按二級負荷供電方式對待，以犧牲供電安全性為代價換取減少供電貼費，這樣做，並不可取。礦井變電所由開關、變壓器、母線及保護設備構成。無論歸屬和管理權限如何，其屬性仍屬配電網絡，不是用電負荷。
城市電力係統的術語定義：城市供電電源——為城市提供電能來源的發電廠和接受市域外電力係統電能的電源變電所總稱；城市變電所——城網中起變換電壓，並起集中電力和分配電力作用的供電設施。由此可以得出礦井變電所是礦井的供電設施，是把電源與礦井用電設備(負荷)聯係起來的環節。沒有這個環節，礦井用電設備(負荷)就得不到電能。從這個意義上講，礦井變電所也可看作是礦井用電負荷的電源。既然如此，那麼，礦井變電所的運行方式就應滿足礦井用電負荷對電源的要求。與礦井供電類似，地鐵供電的中壓網絡電壓等級有3 5 k V 、2 0 k V 、l ０k V 。地鐵供電係統應包括外部電源、主變電所( 或電源開閉所) 、牽引供電係統、動力照明供電係統、電力監控係統。一級負荷應由雙電源雙回線路供電，當一個電源發生故障時，另一個電源不應同時受到損壞。供電係統中的各種變電所均應有兩個電源，每個進線電源的容量應滿足變電所全部一、二級負荷的要求，這兩個電源可以來自不同變電所，也可來自同一變電所的不同母線。地鐵供電對雙路電源的要求是：雙路電源應分列運行。地鐵變配電係統降壓變電所，正常兩台變壓器分列運行。地鐵供電設計之所以做這些規定和要求，主要是因為地鐵用電負荷中有一級負荷的原故。礦井也有一級負荷，主要包括：主要通風機；井下主排水設備( 包括作主排水的煤水泵)、下山開采的采區排水沒備；升降人員的立井提升機；抽放瓦斯設備(包括井下移動抽放泵站設備)。一級負荷的供電要求對不同行業來說，都是一致的。確保礦井供電設計的安全性，很重要的一點，就是要滿足礦井一級負荷對供電電源的要求——應有雙電源雙回線路供電。要滿足這個條件，作為礦井配電網絡的礦井變電所隻能采用分列運行這一種方式。隻有這種方式，才能實現二次母線為分列運行母線，接於兩段母線的礦井一級負荷才會有兩個供電電源，也才能做到一級負荷的兩回電源線路一回路運行另一回路帶電備用。
4 主變壓器台數的選擇
礦井供電負荷中，主要為一、二級負荷，三級負荷所占比例很小。所以礦井變電所都是按兩回路電源一回路故障，另一回路可負擔礦井全部負荷來設計。礦井變電所主變壓器容量不單要滿足礦井全部負荷的需要，而且運行方式也要滿足一級負荷對雙電源的要求。礦井變電所主接線就有設兩台主變壓器或設三台主變壓器兩種方案。采用兩台主變壓器方案時，在正常情況下兩台變壓器分列運行，每台變壓器帶50％負荷。變壓器二次側為分列運行母線。當一回電源線路故障或一台變壓器故障時，另一台變壓器立刻帶全部負荷運行，此時礦井暫時處於單電源供電狀態，故障排除後再恢複分列運行。在整個切換過程中，對負荷來說不會出現兩回電源同時中斷的現象。這種方案的優點是占地小，使用斷路器少，接線簡單，操作方便，提升了礦井供電的安全性和可靠度(礦井二級負荷也按一級負荷的雙電源要求供電了) 。缺點是正常運行時，變壓器負載率低，增加了供電貼費，加大了運行費用。采用三台變壓器方案時，在正常情況下，兩台變壓器以較高的負載率分列運行，第三台變壓器備用。當一回電源線路故障或一台變壓器故障時，投入第三台變壓器。此前，有一台變壓器仍在帶電運行。第三台變壓器的投入有兩種職能：一回電源發生故障時，可確保礦井全部負荷供電，此時礦井暫時處於單電源工作狀態；一台變壓器發生故障時，可確保礦井雙電源供電。三台變壓器這種運行方式與兩台變壓器“一用一備”運行的區別在於，前者確保了礦井一級負荷的兩回電源不會同時中斷，滿足了一級負荷的供電要求。後者卻做不到這一點。三台變壓器這種運行方案的優點是變壓器負載率高，減少了供電貼費；缺點是占地麵積比前一個方案大，接線和倒閘操作較複雜，為了避免正在運行的變壓器過載，在切換操作過程中要中斷一部分二級負荷的供電。上述兩種分列運行方案都滿足礦井供電的安全性要求，但從國內兩部電價管理體製的實際出發，推薦大型礦井主變電所采用雙母線接線的三變壓器方案。
5 結語
電源變電所兩段母線分列運行時，接於兩段母線的饋電線路才能構成兩回路電源，這是由一個電源變電所引出兩回電源的必要條件。在對所選電源的可靠性論證時。除了注意電源容量和環境距離外，還應注意電源變電所的運行方式。礦井變電所是聯係電源與用電設備的環節。屬於礦井供電的配電網絡，可看作是礦井負荷的電源。礦井供電安全的重要一點，是應該
滿足一級負荷對兩個電源的供電要求。因此，礦井變電所隻能采用分列運行方式。礦井變電所主變壓器台數的選擇，有兩變壓器和三變壓器兩種分列運行方案。在目前兩部電價管理體製的情況下，大型礦井推薦采用雙母線接線的三變壓器方案，是保證礦井供電安全、減少供電貼費的好辦法。
