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煤礦電網安全穩(wěn)定運行分析研究

文檔作者：孫冰文檔來源：中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月09日
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2011年第6期 煤礦機電 ·9·
煤礦電網安全穩(wěn)定運行分析研究
孫冰
(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221008)
摘 要： 分析了煤礦供電系統(tǒng)的結構特點和煤礦電網在運行中常遇到的問題，提出了煤礦電網安
全穩(wěn)定性分析的內容及具體的計算方法。針對典型煤礦電網的具體實例，用PSASP軟件進行建
模，計算分析驗證所提出的觀點，及時發(fā)現(xiàn)該典型煤礦存在的問題，給出解決問題的建議和措施。
關鍵詞： 煤礦電網；供電系統(tǒng)特性；安全穩(wěn)定性
中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1001—0874{2011)06—0009—06
Study and Analysis on Safety and Stability of Coal Mine Power Grid
SUN Bing
(School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)
Abstract： Analyzes the structure features of coal mine power supply system and the common problems during
operation，the content of safety and stability of coal mine power grid and specific calculate methods are proposed．
According to the specific examples of typical coal mine power grid，uses PSASP software to build the mode，
calculates and analyzes the proposed opinions，finds out the problems in this typical coal mine and gives out
suggestion and measures．
Keywords： coal mine grid；power supply system features；safety and stability
0 引言 1 煤礦供電系統(tǒng)特性分析
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指在正常運行條件下的電網
保持平衡狀態(tài)的能力，當受到外因干擾后系統(tǒng)能夠
自動調整或恢復到一個新的平衡狀態(tài)。
國內外關于電力系統(tǒng)終端用戶的網絡分析較
少，尤其對煤礦電網進行的針對性分析非常欠缺，但
我國煤礦電網目前大量存在由于生產能力不斷攀
升，供電網絡不斷擴容，電網結構缺乏整體規(guī)劃，繼
電保護系統(tǒng)整定困難，時有越級或無選擇性跳閘事
故發(fā)生_】工J。針對電網故障進行分析的傳統(tǒng)方法是
進行一系列測試，或根據一次系統(tǒng)圖進行推演，這種
分析方法針對特定故障可以進行定性分析，發(fā)現(xiàn)問
題，但若對系統(tǒng)整體進行定量分析則不能達到所希
望的效果。為解決以上不足，目前國內外，普遍采用
專用仿真分析軟件，構造系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)進行定量
仿真分析，不但可滿足現(xiàn)有系統(tǒng)分析，同時也為系統(tǒng)
進一步擴容改造仿真分析提供了可能。
煤礦電網主要由地面部分和井下部分構成，其
電源進線側接線方式有：橋形接線、線路變壓器組接
線、單母線或分段單母線接線、雙母線接線等，10 kV
(6 kV)側多采用分段單母線接線形式。
1．1 分段單母線接線方式
采用分段單母線接線方式的煤礦電網，其進線
電源側電壓等級為35～110 kV，主變電站具有兩回
及以上電源線路或裝有兩臺及以上變壓器。以某分
段單母線結線方式的煤礦電網為例，其主接線圖如
圖1所示。分段單母線接線的優(yōu)點有：接線簡單清
晰、設備較少、操作方便、占地少、便于擴建和采用成
套配電裝置，當一段母線發(fā)生故障，可保證正常母線
不間斷供電，不致使重要負荷停電；缺點有：當一段
母線或母線隔離開關發(fā)生永久性故障或檢修時，則
連接在該段母線上的回路在檢修期間停電 J。
1．2 雙母線結線方式
采用雙母線接線方式的煤礦，其進線電源側電
萬方數(shù)據
· 10· 煤礦機電 2011年第6期
圖1 分段單母線結線的煤礦電網示意圖
壓等級為35～110 kV，110 kV線路為6回及以上
時，或35～63 kV線路為8回及以上時，或6～10 kV
線路為12回及以上，以某雙母線結線方式的煤礦電
網為例，其主接線圖如圖2所示。雙母線接線方式
的優(yōu)點有：供電可靠性高、運行靈活；缺點有：使用設
備多、投資大、接線復雜、操作安全性較差。
1 進線⑦ 2 進線⑦
_8O0[f
變電J
I
新
變
6 k、r
母線II段
l10 kV
變電站
110 kV母線5
l ～ 35 kV
m -f
乜中所央 舢變電中所央 8上 8土
_段 fⅣ段 I T
一主右門 l l
i所變電所 通 機通飆機
圖2 雙母線結線的煤礦電網示意圖
1．3 含有自備電廠的煤礦電網結線方式
含有自備電廠的煤礦，其進線電源側電壓等級
為35—110 kV。以某帶有自備電廠的煤礦電網為
例，其主接線圖如圖3所示。煤礦有自備電廠的主
要優(yōu)點是可以保證礦用負荷的用電充裕性，能夠在
上級電網故障斷電時確保礦井供電的連續(xù)可靠性。
缺點是自備電廠多為6—12 MW 的小型發(fā)電機組，
機組本身運行不穩(wěn)定，故障頻率較高，一旦出現(xiàn)機爐
故障，在沖擊系統(tǒng)電網的同時，會波及礦區(qū)電網，引
起電網的擾動或振蕩，威脅煤礦安全生產。
煤礦自備電廠與礦井變電所連接的形式有兩
種，一種是當發(fā)電機出線端與井礦變電所低壓側母
線相連時，電廠與變電所之間采用隔離變壓器相連，
既可以將電廠產生的電容電流與礦井的單相接地電
容電流網絡分開，又可以限制礦井井下變電所的短
路電流大??；一種是當發(fā)電機出線端與礦井變電所
高壓側母線相連時，需先將電廠電壓升至變電所高
壓側的電壓等級，一般需要建一所電廠升壓站與主
變電站聯(lián)絡。
副立井
2 進線 降壓站 1 進線
3 5 壁kV'(~j)n3 5 1墨kV
．
段
1l 6kv 2 主變 3 主變,il 主變1
II段 F3 陰 kV I埭
Il 一5 50 { {一65 5k0V III段 Ij l
l II段 IⅡ段m 『-550 段
一850 I a I _ t
35 kVII段
850II段
35 kV I
。 翠i 段滯 篆
2 一I．陽8 [}．n{ L 事 ， 筑龜 黿筑
萬方數(shù)據
2011年第6期 煤礦機 電
110 kv 110 kV G1 G2 G3
進線1 1 1{n 2 線112 l 2 n i
k 簍洶巋 棒洳礦
唐家申串 學 徐家樓 呂
33 kVfIII段
33 kV I段
§ 晦}}}營蠢菇
趙各莊魯電 廠 G 山 廠 器材
圖4 開灤東部礦區(qū)電網接線示意圖
110 kV芹寺線和110 kV成寺線，由于成寺線來自
上級220 kV變電站的2 主變壓器，而該220 kV變
電站2 主變壓器所帶的負荷較大，負載率達到
82％ ，因此，在該礦實際生產中只能使用芹寺線供
電。
寺線
圖5 晉煤集團某礦110 kV變電站接線圖
2．2 電能質量下降
礦井電網中使用的大型電氣設備較多，為了提
高生產效率，生產上采用的大多數(shù)電動機都使用了
變頻裝置，造成煤礦電網電能質量下降，使電網的穩(wěn)
定運行受到破壞。新汶礦業(yè)集團公司某煤礦是含有
自備電廠的結線結構，電網結構復雜，電能質量較
差，供電系統(tǒng)圖見圖3。
2．3 繼電保護配合實現(xiàn)困難
礦井供電系統(tǒng)是單輻射式供電結構，井下各采
區(qū)變電所距離地面變電所電源較遠，線路經由井下
中央變電所連至采區(qū)經過的開關級數(shù)多，上下級定
值配合上需要較長的時限，而上級變電站或區(qū)域電
網對電源保護的時限和定值已經限定，且給定值很
小無法更改，煤礦變電所開關整定時只能縮小定值，
縮短保護時限，造成上下級保護無法配合，因此一旦
井下出現(xiàn)三相短路，必然是所有速斷保護同時動作，
繼電保護沒有選擇性，導致越級跳閘擴大停電故障
范圍。
越級跳閘在很多煤礦都是頻發(fā)事故，井下線路
發(fā)生短路時，保護開關越級到井下中央變電所，甚至
有的越級到地面變電所，造成事故范圍擴大，造成煤
礦電網越級跳閘的主要原因有幾點：
1)短線路造成各級開關速斷保護定值無法區(qū)
分 。
2)短路電流過大造成各級開關速斷保護定值
無法區(qū)分。
3)失壓保護延時難以整定導致成片跳閘。
2．4 井下采區(qū)工作面電壓偏低
隨著煤礦生產能力的逐步提高，各大中型煤礦
不斷對供電系統(tǒng)進行改造擴建，許多煤礦建設較早，
建設初期沒有大容量擴建的整體規(guī)劃，擴容改造后，
網絡結構變得復雜，存在不少安全隱患，例如電纜超
載，井下線路電壓偏低。新型的礦井井下綜采工作
面的電氣設備具有大功率、大容量的特點，由于下井
電纜較長造成線路壓降大，工作面的電壓低，時常造
成工作面設備不能正常啟動，并且工作面大容量設
備啟動時對電網造成的沖擊比較大(電壓降大)。
2．5 單相接地電容電流過大
煤礦供電系統(tǒng)中單相接地短路是發(fā)生最頻繁的
故障，電容電流過大，則對煤礦電網的危害很大，主
要體現(xiàn)在：
1)易造成二次故障，致使故障擴大。
2)易產生單相電弧接地過電壓。
3)易使接地網電壓升高，危及人身安全。
4)易產生交流雜散電流。
5)接地電弧引起瓦斯煤塵爆炸。
如果礦井供電系統(tǒng)沒有進行單相接地電流測試
和采取限制措施，隨著電網容量增大，供電距離不斷
增加，一旦系統(tǒng)發(fā)生單相接地，就會引起嚴重的事
故。
3 煤礦供電系統(tǒng)靜態(tài)安全分析內容
3．1 潮流計算與分析
萬方數(shù)據
· 12· 煤礦機電 2011年第6期
潮流計算是根據給定電網的網絡結構和各部分
元件的運行參數(shù)，計算電力系統(tǒng)各部分穩(wěn)態(tài)運行的
狀態(tài)參數(shù)。通過潮流計算對規(guī)劃中的電力系統(tǒng)進行
檢驗可以分析出現(xiàn)有的規(guī)劃方案能否滿足各種運行
方式的要求，對運行中的電力系統(tǒng)，通過潮流計算可
以分析網絡結構的改變對系統(tǒng)安全運行帶來的影
響，預測負荷變化對系統(tǒng)的沖擊，從全網母線的電壓
是否在允許的范圍以內，線路、變壓器等元件是否
會出現(xiàn)過負荷現(xiàn)象，以及若出現(xiàn)過負荷時應事先采
取哪些預防措施等。
3．2 短路計算與分析
短路計算是求出某種故障時流過短路點的短路
電流，母線電壓以及其分布的計算 。短路的形式
有單相接地短路、兩相接地短路、兩相相間短路和三
相短路幾種，其中單相接地短路在礦井電網中壓常
發(fā)生，而三相短路發(fā)生的幾率最小，卻危害最大，因
此通常以三相短路電流作為電網短路電流的校驗參
考值，將短路危害降低到最小程度。
3．3 煤礦電網Ⅳ一1計算
根據電網穩(wěn)定導則的相關內容，Ⅳ一l原則是在
電網正常運行方式下考察任意一電力元件發(fā)生故障
或斷開后，電網能否滿足其電壓和頻率能夠在允許
范圍內，以及其它元件不過負荷的同時保持穩(wěn)定運
行且正常供電，N一1校驗通常在統(tǒng)計全年最大負荷
的條件下進行。實踐表明，在電網N一1校驗的基
礎上可以預測電網的供電質量，還可以對供電經濟
性進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)正常運行時及檢修狀態(tài)下的
抗干擾能力 ’ 。煤礦電網雙回路供電線路多為一
用一備，滿足N一1校驗的條件，線路N一1安全分
析計算時考慮將雙(多)回供電線的任意一回斷開，
檢驗另一回線路是否過載。
3．4 煤礦電網孤網運行可行性分析
目前，大中型煤礦大都擁有自備電廠或煤矸石
發(fā)電廠，裝機容量可達到20 MW左右，完全可以承
受煤礦保安負荷的運轉，當煤礦電網孤網時，自備電
廠發(fā)電機便低頻保護動作，以確保發(fā)電機的安全。
本文通過仿真試驗驗證煤礦電網在脫離了上級電網
孤網運行時是否能夠帶動保安負荷穩(wěn)定運行，給煤
礦電網工作人員提供重要參考，解決了上級電網斷
電時的安全隱患問題。
4 煤礦供電系統(tǒng)靜態(tài)安全分析實例
本文通過選取具有典型代表性的某煤礦集團東
部35kV供電網絡為例，對煤礦電網的運行實例進
行仿真計算和分析研究。
4．1 潮流計算分析
通過PSASP軟件對該礦建立模型，以該礦的一
般負荷作為計算負荷，并以該礦的正常運行方式作
為全礦的運行方式，進行計算分析全網的潮流分布。
通過計算分析表明：
1)正常方式下，一般負荷時林西電廠、趙各莊
電廠滿額發(fā)電，徐家樓變電站在一臺主變壓器備用
的情況下，另一臺運行主變壓器負載8．4+j2．4
MVA，運行主變壓器負載率為110％ ，過載10％。
2)唐家莊變電站在一臺主變壓器備用情況下，
另一臺運行主變壓器負載8．7+j5．9 MVA，運行主
變壓器負載率為105％，過載5％。其余變電站在主
變壓器一用一備情況下，都處于經濟運行范圍內。
4．2 電網N一1計算分析
4．2．1 雞冠山變電站N一1計算
1)雞冠山110 kV變電站一臺主變壓器發(fā)生Ⅳ
一1斷開，另一臺主變壓器負載28．1+j10．5 MVA，
負載率67％ ，達到經濟運行范圍。
2)雞冠山110 kV變電站兩臺主變壓器』、r～2
同時斷開，開灤礦區(qū)與外網聯(lián)系斷開，6 井、新莊子、
六九站、不銹鋼、趙各莊礦301、302全停，投入備用
線路后，保持林西電廠、趙各莊電廠機組滿發(fā)，礦區(qū)
內功率缺額20 MW，為最大發(fā)電出力的18％。
3)林西一雞冠山1 線發(fā)生N一1斷電，2 線潮流
l5．3+j8．9 MVA，經計算，無線路、主變過載。
4)林西一雞冠山兩條聯(lián)絡線Ⅳ一2同時斷開，林
西電廠與唐山電網斷開獨立運行，控制林西電廠出
力到70 MW，主變壓器過載，各站電壓均在允許范
圍內。
4．2．2 趙各莊電廠N一1計算
趙各莊電廠發(fā)生一臺、兩臺機組掉閘或電廠全
停，經計算，主變壓器過載都在經濟運行范圍，各站
電壓均在允許范圍內。
4．3 電網穩(wěn)定計算分析
1)林西．范各莊礦1 、2 潮流分別為17．6+
j3．4 MVA，5．7+j1．9 MVA，1 線林西側三相短路故
障，林西1 號機對唐山電網最大擺角為124。，呂新
最低電壓為其額定電壓的72％，故障切除后系統(tǒng)可
保持穩(wěn)定；2 線林西側三相短路故障，林西1 機對唐
山電網最大擺角為124。，呂新井1 母線最低電壓為
其額定電壓的72％ ，故障切除后系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。
萬方數(shù)據
2011年第6期 煤礦機電 ·13·
2)林西-徐家樓站潮流為8．8+j3．5 MVA，林
西側三相短路故障，林西1 機對唐山電網最大擺角
為138。，呂新井1 母線最低電壓為其額定電壓的
69％ ，故障切除后系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。
3)林西-機廠潮流為4．3+j2．1 MVA，林西側
三相短路故障，林西1 機對唐山電網最大擺角為
139。，呂新井1 母線最低電壓為其額定電壓的
69％ ，故障切除后系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。
4)林西一趙各莊線潮流10．9+j6 MVA，林西側
三相短路故障，林西1 機對唐山電網最大擺角為
124。，呂新井1 母線最低電壓為其額定電壓的
72％ ，故障切除后系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。
4．4 母線故障穩(wěn)定水平計算
該礦東部電網的全網35 kV母線三相短路電流
值如表1所示。通過對該礦區(qū)電網正常方式下，母
線發(fā)生三相、單相短路故障時極限切除時間的計算
分析，其各母線故障穩(wěn)定性見表2。由表2可以得
出以下結論：各35 kV變電站母線正常方式下發(fā)生
單相短路故障，快速保護切除故障后系統(tǒng)均能穩(wěn)定；
發(fā)生三相短路故障時，雞冠山、林西電廠和趙各莊電
廠的35 kV母線短路故障，不能達到故障極限切除
時間，其他變電站35 kV母線短路故障極限切除時
間，均可保持系統(tǒng)穩(wěn)定。
表1 全網35 kV母線三相短路電流
廠站名母線電壓／kV— 五
4．5 孤網運行可能性分析
為了更明確地分析煤礦電網進線斷電對其影
響，該礦東部電網仿真時選擇了最大負荷運行方式，
此時自備電廠發(fā)電容量與煤礦總負荷差額較大。在
PSASP平臺上，模擬該礦東部電網進線電源切斷，得
到各發(fā)電機組間功角關系，如圖6所示。由圖6看
出，各發(fā)電機之間功角是隨時間不斷振蕩增大，系統(tǒng)
在這種情況下是不穩(wěn)定的。
暴
一
一
圖6 某礦東部電網切除進線后各機組的功角曲線
為解決有功功率缺額的問題，切機后，低周減載
裝置動作，甩掉設定的非一級負荷，得到仿真結果見
圖7。由圖7功角曲線看出，各發(fā)電機間功角雖然
有振蕩，但也能在短時間內逐步減小i 于穩(wěn)定值。
即在上級進線電源斷掉后，通過低周減載裝置甩負
荷，可以使電網達到機電穩(wěn)定。
BUS2／(。)
BUS3f。)
BUS4／(。)
BUSS／(。)
BUS6f。)
圖7 某礦東部電網切進線減載后各機組的功角曲線
經過上述仿真分析，在該礦東部電網在與上級電
網完全脫離時，通過低周減載，可以帶保安負荷短時
間孤網運行。建議增設孤網運行方式，增強開灤東部
電網35 kV供電系統(tǒng)對數(shù)十個煤礦的供電可靠性。
該礦區(qū)單機容量最大的機組為林西電廠的三臺
機組，單臺容量為25 MW。若趙各莊電廠全停，林
西電廠滿發(fā)與唐山電網保持同步，礦區(qū)內各站電壓
均在允許范圍內，系統(tǒng)穩(wěn)定；若林西電廠全停，趙各
莊電廠滿發(fā)與唐山電網保持同步，礦區(qū)內各站電壓
偏低，低頻減載裝置切除大量負荷，系統(tǒng)也能夠保持
穩(wěn)定。 (下轉第16頁)
； ) )
0 O O 0 o
2 3 4 5 6
S S S S S
U U U U U
O O 0 O O O O O書 Om O
萬方數(shù)據
· 16· 煤礦機電 2011年第6期
圖3 故障信號采樣波形
圖3中故障信號瞬時值用l6位二進制表示，最
大值32 767表示4O(A／V)。由圖2和圖3看出，故
障信號波形基本吻合采樣波形。
采樣波形通過全波傅氏改進算法濾波得到的工
頻量幅值和相角如圖4所示。
圖4 濾波仿真結果
由圖4可知，提取到故障信號工頻分量的幅值
和相角分別為19．92(A／V)、29．76。，與故障信號工
頻分量的幅值和相角對比情況如表1所示。
表1 仿真結果與真實值對比
仿真結果與真實值非常接近，說明該算法具有
很好的濾波性能，能很好地濾除衰減直流分量、奇次
諧波和偶次諧波。
3 結語
本文介紹的全波傅氏改進算法，對衰減直流分
量、奇次諧波和偶次諧波具有很好的濾波I生能，克服
了傳統(tǒng)全波傅氏算法的缺點。通過DSP驗證，該算
法能很好滿足井下供電系統(tǒng)微機繼電保護的需求，
為大采高綜放工作面的安全開采提供保護屏障。
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航空航天大學出版社，2009．
作者簡介： 耳朝友(1986一)，男，中國礦業(yè)大學在讀研究生。研究
方向為電力系統(tǒng)及其自動化。
(收稿日期：2011—07—29；責任編輯：陶馳東)
(上接第13頁)
5 結論
通過從煤礦電網的安全可靠穩(wěn)定運行著手，對
煤礦電網的系統(tǒng)進行了分析研究，由對目標煤礦電
網的各種計算及安全可靠性分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，并
給出解決問題的建議和措施，體現(xiàn)了煤礦企業(yè)“安
全生產、預防第一”的原則。
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[7] 孫華東，湯涌，等．電力系統(tǒng)穩(wěn)定的定義與分類述評[J]．電網
技術，2006(17)．
作者簡介：孫冰(1975一)，男。1997年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學電力系
統(tǒng)及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)繼電保護調試和工程管理工作。
(收稿日期：2011—08—30；責任編輯：姚克)
萬方數(shù)據

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