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煤矿电网安全稳定运行分析研究

文档作者: 孙冰        文档来源: 中国矿业大学信息与电气工程学院
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2011年第6期 煤矿机电 ·9· 煤矿电网安全稳定运行分析研究 孙冰 (中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008) 摘 要: 分析了煤矿供电系统的结构特点和煤矿电网在运行中常遇到的问题,提出了煤矿电网安 全稳定性分析的内容及具体的计算方法。针对典型煤矿电网的具体实例,用PSASP软件进行建 模,计算分析验证所提出的观点,及时发现该典型煤矿存在的问题,给出解决问题的建议和措施。 关键词: 煤矿电网;供电系统特性;安全稳定性 中图分类号:TM732 文献标识码:A 文章编号: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 煤矿供电系统特性分析 电力系统稳定性是指在正常运行条件下的电网 保持平衡状态的能力,当受到外因干扰后系统能够 自动调整或恢复到一个新的平衡状态。 国内外关于电力系统终端用户的网络分析较 少,尤其对煤矿电网进行的针对性分析非常欠缺,但 我国煤矿电网目前大量存在由于生产能力不断攀 升,供电网络不断扩容,电网结构缺乏整体规划,继 电保护系统整定困难,时有越级或无选择性跳闸事 故发生_】工J。针对电网故障进行分析的传统方法是 进行一系列测试,或根据一次系统图进行推演,这种 分析方法针对特定故障可以进行定性分析,发现问 题,但若对系统整体进行定量分析则不能达到所希 望的效果。为解决以上不足,目前国内外,普遍采用 专用仿真分析软件,构造系统模型,对系统进行定量 仿真分析,不但可满足现有系统分析,同时也为系统 进一步扩容改造仿真分析提供了可能。 煤矿电网主要由地面部分和井下部分构成,其 电源进线侧接线方式有:桥形接线、线路变压器组接 线、单母线或分段单母线接线、双母线接线等,10 kV (6 kV)侧多采用分段单母线接线形式。 1.1 分段单母线接线方式 采用分段单母线接线方式的煤矿电网,其进线 电源侧电压等级为35~110 kV,主变电站具有两回 及以上电源线路或装有两台及以上变压器。以某分 段单母线结线方式的煤矿电网为例,其主接线图如 图1所示。分段单母线接线的优点有:接线简单清 晰、设备较少、操作方便、占地少、便于扩建和采用成 套配电装置,当一段母线发生故障,可保证正常母线 不间断供电,不致使重要负荷停电;缺点有:当一段 母线或母线隔离开关发生永久性故障或检修时,则 连接在该段母线上的回路在检修期间停电 J。 1.2 双母线结线方式 采用双母线接线方式的煤矿,其进线电源侧电 万方数据 · 10· 煤矿机电 2011年第6期 图1 分段单母线结线的煤矿电网示意图 压等级为35~110 kV,110 kV线路为6回及以上 时,或35~63 kV线路为8回及以上时,或6~10 kV 线路为12回及以上,以某双母线结线方式的煤矿电 网为例,其主接线图如图2所示。双母线接线方式 的优点有:供电可靠性高、运行灵活;缺点有:使用设 备多、投资大、接线复杂、操作安全性较差。 1 进线⑦ 2 进线⑦ _8O0[f 变电J I 新 变 6 k、r 母线II段 l10 kV 变电站 110 kV母线5 l ~ 35 kV m -f 乜中所央 舢变电中所央 8上 8土 _段 fⅣ段 I T 一主右门 l l i所变电所 通 机通飙机 图2 双母线结线的煤矿电网示意图 1.3 含有自备电厂的煤矿电网结线方式 含有自备电厂的煤矿,其进线电源侧电压等级 为35—110 kV。以某带有自备电厂的煤矿电网为 例,其主接线图如图3所示。煤矿有自备电厂的主 要优点是可以保证矿用负荷的用电充裕性,能够在 上级电网故障断电时确保矿井供电的连续可靠性。 缺点是自备电厂多为6—12 MW 的小型发电机组, 机组本身运行不稳定,故障频率较高,一旦出现机炉 故障,在冲击系统电网的同时,会波及矿区电网,引 起电网的扰动或振荡,威胁煤矿安全生产。 煤矿自备电厂与矿井变电所连接的形式有两 种,一种是当发电机出线端与井矿变电所低压侧母 线相连时,电厂与变电所之间采用隔离变压器相连, 既可以将电厂产生的电容电流与矿井的单相接地电 容电流网络分开,又可以限制矿井井下变电所的短 路电流大小;一种是当发电机出线端与矿井变电所 高压侧母线相连时,需先将电厂电压升至变电所高 压侧的电压等级,一般需要建一所电厂升压站与主 变电站联络。 副立井 2 进线 降压站 1 进线 3 5 壁kV'(~j)n3 5 1墨kV . 段 1l 6kv 2 主变 3 主变,il 主变1 II段 F3 阴 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 段滞 篆 2 一I.阳8 [}.n{ L 事 , 筑龟 鼋筑 万方数据 2011年第6期 煤矿机 电 110 kv 110 kV G1 G2 G3 进线1 1 1{n 2 线112 l 2 n i k 篓汹岿 棒洳矿 唐家申串 学 徐家楼 吕 33 kVfIII段 33 kV I段 § 晦}}}营蠢菇 赵各庄鲁电 厂 G 山 厂 器材 图4 开滦东部矿区电网接线示意图 110 kV芹寺线和110 kV成寺线,由于成寺线来自 上级220 kV变电站的2 主变压器,而该220 kV变 电站2 主变压器所带的负荷较大,负载率达到 82% ,因此,在该矿实际生产中只能使用芹寺线供 电。 寺线 图5 晋煤集团某矿110 kV变电站接线图 2.2 电能质量下降 矿井电网中使用的大型电气设备较多,为了提 高生产效率,生产上采用的大多数电动机都使用了 变频装置,造成煤矿电网电能质量下降,使电网的稳 定运行受到破坏。新汶矿业集团公司某煤矿是含有 自备电厂的结线结构,电网结构复杂,电能质量较 差,供电系统图见图3。 2.3 继电保护配合实现困难 矿井供电系统是单辐射式供电结构,井下各采 区变电所距离地面变电所电源较远,线路经由井下 中央变电所连至采区经过的开关级数多,上下级定 值配合上需要较长的时限,而上级变电站或区域电 网对电源保护的时限和定值已经限定,且给定值很 小无法更改,煤矿变电所开关整定时只能缩小定值, 缩短保护时限,造成上下级保护无法配合,因此一旦 井下出现三相短路,必然是所有速断保护同时动作, 继电保护没有选择性,导致越级跳闸扩大停电故障 范围。 越级跳闸在很多煤矿都是频发事故,井下线路 发生短路时,保护开关越级到井下中央变电所,甚至 有的越级到地面变电所,造成事故范围扩大,造成煤 矿电网越级跳闸的主要原因有几点: 1)短线路造成各级开关速断保护定值无法区 分 。 2)短路电流过大造成各级开关速断保护定值 无法区分。 3)失压保护延时难以整定导致成片跳闸。 2.4 井下采区工作面电压偏低 随着煤矿生产能力的逐步提高,各大中型煤矿 不断对供电系统进行改造扩建,许多煤矿建设较早, 建设初期没有大容量扩建的整体规划,扩容改造后, 网络结构变得复杂,存在不少安全隐患,例如电缆超 载,井下线路电压偏低。新型的矿井井下综采工作 面的电气设备具有大功率、大容量的特点,由于下井 电缆较长造成线路压降大,工作面的电压低,时常造 成工作面设备不能正常启动,并且工作面大容量设 备启动时对电网造成的冲击比较大(电压降大)。 2.5 单相接地电容电流过大 煤矿供电系统中单相接地短路是发生最频繁的 故障,电容电流过大,则对煤矿电网的危害很大,主 要体现在: 1)易造成二次故障,致使故障扩大。 2)易产生单相电弧接地过电压。 3)易使接地网电压升高,危及人身安全。 4)易产生交流杂散电流。 5)接地电弧引起瓦斯煤尘爆炸。 如果矿井供电系统没有进行单相接地电流测试 和采取限制措施,随着电网容量增大,供电距离不断 增加,一旦系统发生单相接地,就会引起严重的事 故。 3 煤矿供电系统静态安全分析内容 3.1 潮流计算与分析 万方数据 · 12· 煤矿机电 2011年第6期 潮流计算是根据给定电网的网络结构和各部分 元件的运行参数,计算电力系统各部分稳态运行的 状态参数。通过潮流计算对规划中的电力系统进行 检验可以分析出现有的规划方案能否满足各种运行 方式的要求,对运行中的电力系统,通过潮流计算可 以分析网络结构的改变对系统安全运行带来的影 响,预测负荷变化对系统的冲击,从全网母线的电压 是否在允许的范围以内,线路、变压器等元件是否 会出现过负荷现象,以及若出现过负荷时应事先采 取哪些预防措施等。 3.2 短路计算与分析 短路计算是求出某种故障时流过短路点的短路 电流,母线电压以及其分布的计算 。短路的形式 有单相接地短路、两相接地短路、两相相间短路和三 相短路几种,其中单相接地短路在矿井电网中压常 发生,而三相短路发生的几率最小,却危害最大,因 此通常以三相短路电流作为电网短路电流的校验参 考值,将短路危害降低到最小程度。 3.3 煤矿电网Ⅳ一1计算 根据电网稳定导则的相关内容,Ⅳ一l原则是在 电网正常运行方式下考察任意一电力元件发生故障 或断开后,电网能否满足其电压和频率能够在允许 范围内,以及其它元件不过负荷的同时保持稳定运 行且正常供电,N一1校验通常在统计全年最大负荷 的条件下进行。实践表明,在电网N一1校验的基 础上可以预测电网的供电质量,还可以对供电经济 性进行优化,提高系统正常运行时及检修状态下的 抗干扰能力 ’ 。煤矿电网双回路供电线路多为一 用一备,满足N一1校验的条件,线路N一1安全分 析计算时考虑将双(多)回供电线的任意一回断开, 检验另一回线路是否过载。 3.4 煤矿电网孤网运行可行性分析 目前,大中型煤矿大都拥有自备电厂或煤矸石 发电厂,装机容量可达到20 MW左右,完全可以承 受煤矿保安负荷的运转,当煤矿电网孤网时,自备电 厂发电机便低频保护动作,以确保发电机的安全。 本文通过仿真试验验证煤矿电网在脱离了上级电网 孤网运行时是否能够带动保安负荷稳定运行,给煤 矿电网工作人员提供重要参考,解决了上级电网断 电时的安全隐患问题。 4 煤矿供电系统静态安全分析实例 本文通过选取具有典型代表性的某煤矿集团东 部35kV供电网络为例,对煤矿电网的运行实例进 行仿真计算和分析研究。 4.1 潮流计算分析 通过PSASP软件对该矿建立模型,以该矿的一 般负荷作为计算负荷,并以该矿的正常运行方式作 为全矿的运行方式,进行计算分析全网的潮流分布。 通过计算分析表明: 1)正常方式下,一般负荷时林西电厂、赵各庄 电厂满额发电,徐家楼变电站在一台主变压器备用 的情况下,另一台运行主变压器负载8.4+j2.4 MVA,运行主变压器负载率为110% ,过载10%。 2)唐家庄变电站在一台主变压器备用情况下, 另一台运行主变压器负载8.7+j5.9 MVA,运行主 变压器负载率为105%,过载5%。其余变电站在主 变压器一用一备情况下,都处于经济运行范围内。 4.2 电网N一1计算分析 4.2.1 鸡冠山变电站N一1计算 1)鸡冠山110 kV变电站一台主变压器发生Ⅳ 一1断开,另一台主变压器负载28.1+j10.5 MVA, 负载率67% ,达到经济运行范围。 2)鸡冠山110 kV变电站两台主变压器』、r~2 同时断开,开滦矿区与外网联系断开,6 井、新庄子、 六九站、不锈钢、赵各庄矿301、302全停,投入备用 线路后,保持林西电厂、赵各庄电厂机组满发,矿区 内功率缺额20 MW,为最大发电出力的18%。 3)林西一鸡冠山1 线发生N一1断电,2 线潮流 l5.3+j8.9 MVA,经计算,无线路、主变过载。 4)林西一鸡冠山两条联络线Ⅳ一2同时断开,林 西电厂与唐山电网断开独立运行,控制林西电厂出 力到70 MW,主变压器过载,各站电压均在允许范 围内。 4.2.2 赵各庄电厂N一1计算 赵各庄电厂发生一台、两台机组掉闸或电厂全 停,经计算,主变压器过载都在经济运行范围,各站 电压均在允许范围内。 4.3 电网稳定计算分析 1)林西.范各庄矿1 、2 潮流分别为17.6+ j3.4 MVA,5.7+j1.9 MVA,1 线林西侧三相短路故 障,林西1 号机对唐山电网最大摆角为124。,吕新 最低电压为其额定电压的72%,故障切除后系统可 保持稳定;2 线林西侧三相短路故障,林西1 机对唐 山电网最大摆角为124。,吕新井1 母线最低电压为 其额定电压的72% ,故障切除后系统可保持稳定。 万方数据 2011年第6期 煤矿机电 ·13· 2)林西-徐家楼站潮流为8.8+j3.5 MVA,林 西侧三相短路故障,林西1 机对唐山电网最大摆角 为138。,吕新井1 母线最低电压为其额定电压的 69% ,故障切除后系统可保持稳定。 3)林西-机厂潮流为4.3+j2.1 MVA,林西侧 三相短路故障,林西1 机对唐山电网最大摆角为 139。,吕新井1 母线最低电压为其额定电压的 69% ,故障切除后系统可保持稳定。 4)林西一赵各庄线潮流10.9+j6 MVA,林西侧 三相短路故障,林西1 机对唐山电网最大摆角为 124。,吕新井1 母线最低电压为其额定电压的 72% ,故障切除后系统可保持稳定。 4.4 母线故障稳定水平计算 该矿东部电网的全网35 kV母线三相短路电流 值如表1所示。通过对该矿区电网正常方式下,母 线发生三相、单相短路故障时极限切除时间的计算 分析,其各母线故障稳定性见表2。由表2可以得 出以下结论:各35 kV变电站母线正常方式下发生 单相短路故障,快速保护切除故障后系统均能稳定; 发生三相短路故障时,鸡冠山、林西电厂和赵各庄电 厂的35 kV母线短路故障,不能达到故障极限切除 时间,其他变电站35 kV母线短路故障极限切除时 间,均可保持系统稳定。 表1 全网35 kV母线三相短路电流 厂站名母线电压/kV— 五 4.5 孤网运行可能性分析 为了更明确地分析煤矿电网进线断电对其影 响,该矿东部电网仿真时选择了最大负荷运行方式, 此时自备电厂发电容量与煤矿总负荷差额较大。在 PSASP平台上,模拟该矿东部电网进线电源切断,得 到各发电机组间功角关系,如图6所示。由图6看 出,各发电机之间功角是随时间不断振荡增大,系统 在这种情况下是不稳定的。 暴 一 一 图6 某矿东部电网切除进线后各机组的功角曲线 为解决有功功率缺额的问题,切机后,低周减载 装置动作,甩掉设定的非一级负荷,得到仿真结果见 图7。由图7功角曲线看出,各发电机间功角虽然 有振荡,但也能在短时间内逐步减小i 于稳定值。 即在上级进线电源断掉后,通过低周减载装置甩负 荷,可以使电网达到机电稳定。 BUS2/(。) BUS3f。) BUS4/(。) BUSS/(。) BUS6f。) 图7 某矿东部电网切进线减载后各机组的功角曲线 经过上述仿真分析,在该矿东部电网在与上级电 网完全脱离时,通过低周减载,可以带保安负荷短时 间孤网运行。建议增设孤网运行方式,增强开滦东部 电网35 kV供电系统对数十个煤矿的供电可靠性。 该矿区单机容量最大的机组为林西电厂的三台 机组,单台容量为25 MW。若赵各庄电厂全停,林 西电厂满发与唐山电网保持同步,矿区内各站电压 均在允许范围内,系统稳定;若林西电厂全停,赵各 庄电厂满发与唐山电网保持同步,矿区内各站电压 偏低,低频减载装置切除大量负荷,系统也能够保持 稳定。 (下转第16页) ; ) ) 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书 Om O 万方数据 · 16· 煤矿机电 2011年第6期 图3 故障信号采样波形 图3中故障信号瞬时值用l6位二进制表示,最 大值32 767表示4O(A/V)。由图2和图3看出,故 障信号波形基本吻合采样波形。 采样波形通过全波傅氏改进算法滤波得到的工 频量幅值和相角如图4所示。 图4 滤波仿真结果 由图4可知,提取到故障信号工频分量的幅值 和相角分别为19.92(A/V)、29.76。,与故障信号工 频分量的幅值和相角对比情况如表1所示。 表1 仿真结果与真实值对比 仿真结果与真实值非常接近,说明该算法具有 很好的滤波性能,能很好地滤除衰减直流分量、奇次 谐波和偶次谐波。 3 结语 本文介绍的全波傅氏改进算法,对衰减直流分 量、奇次谐波和偶次谐波具有很好的滤波I生能,克服 了传统全波傅氏算法的缺点。通过DSP验证,该算 法能很好满足井下供电系统微机继电保护的需求, 为大采高综放工作面的安全开采提供保护屏障。 参考文献: [1] 唐翔.煤矿井下3.3kV电网漏电保护系统及装置的研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2002. [2] 邢文涛.煤矿3.3kV电网漏电保护策略研究[D].徐州:中国 矿业大学,2010. [3] 苏文辉,李钢.一种能滤除衰减直流分量的改进型全波傅氏算 法[J].电力系统自动化,2002(23). [4] 齐先军,丁明,温阳东.一种完全滤除衰减直流分量的短数据 窗改进全波傅氏算法[J].继电器,2005(33). [5] Texas Instruments Incorporated.TI DSP集成开发环境(CCS)使 用手册[M].北京:清华大学出版社,2005. [6] 万山明.TMS320F2812x DSP原理及应用实例[M].北京:北京 航空航天大学出版社,2009. 作者简介: 耳朝友(1986一),男,中国矿业大学在读研究生。研究 方向为电力系统及其自动化。 (收稿日期:2011—07—29;责任编辑:陶驰东) (上接第13页) 5 结论 通过从煤矿电网的安全可靠稳定运行着手,对 煤矿电网的系统进行了分析研究,由对目标煤矿电 网的各种计算及安全可靠性分析,及时发现问题,并 给出解决问题的建议和措施,体现了煤矿企业“安 全生产、预防第一”的原则。 参考文献: [1] 张宏连.井下高压线路越级跳闸的保护[J].安徽科技,2007 (9). f2] 周志强.矿井通风系统的安全性、稳定性与可靠性评价及应用 研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2004. [3] 顾永辉,范延瓒.煤矿电工手册(修订版)(第二分册矿井供 电)[M].北京:煤炭工业出版社,1999. [4] 仇士弼,许博.煤矿井下供电的探讨[J].煤矿设计.1997 (7). [5] 曹国臣,张弓,宋家弊,等.配电网故障计算的通用方法[J]. 中国电机工程学报,1999(7). [6] 夏向阳,张一斌.电力受端系统的稳定问题及其对策分析 [J].继电器,2005(17). [7] 孙华东,汤涌,等.电力系统稳定的定义与分类述评[J].电网 技术,2006(17). 作者简介:孙冰(1975一),男。1997年毕业于中国矿业大学电力系 统及其自动化专业,现从事电力系统继电保护调试和工程管理工作。 (收稿日期:2011—08—30;责任编辑:姚克) 万方数据
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