兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿针对矿区电力供电系统在运行实践中发现的问题进行认真分析，并和相关专业院校合作，从输配电线路、电力调度、微机监测、继电保护、远程控制等多个方面进行了技术改造，同时还取得了一批极具实用价值的研究成果，有效保障了矿区电力输配电系统的安全、优质运行，对于国内同行业有较好的参考价值。

    1 电力工程项目安全生产管理

    兖州矿业（集团）有限责任公司通过分析电力工程施工项目安全生产的根本目的及生产过程中决定安全的基本因素， 总结出了对电力施工项目安全生产管理的有效工作方法。

    ⑴通过直接实践和间接实践来提高项目安全管理人员水平。间接实践就是通过学习国家法律法规、行业标准、安全管理专业知识和企业规章制度提高自身素质。直接实践则是吃一堑长一智，从事故中得到经验和教训。

    ⑵知己知彼，百战不殆。

    ①控制设备是控制物不安全状态的基础。任何设备的故障都有规律性。只要掌握其规律，在施工过程中加强检查、维护和保养，就能有效控制物的不安全状态。用高科技、新技术解决安全生产中存在的问题，争取作到即使发生误操作也不发生事故和即使设备有缺陷也不发生事故。

    ②要控制人的不安全行为，首先要求操作人员按规程操作、正确使用设备；及时发现和处理异常或危险状态；正确使用防护用品，熟悉避险方法；准确、及时和全面提供生产过程各种信息资料，不弄虚作假，勇于同一切危及自身或他人安全、健康的行为做斗争。

    ③合理利用、适应环境（时间、空间和技术）条件。空间是指作业环境。作业时间要考虑夜班、节假日、人的精神状态等因素，要百倍警惕事故多发季节。任何先进技术都有特殊的安全问题，选择生产技术的首要条件是安全可靠。安全技术研究就是针对生产过程中发生的事故、危险现象、潜在危险并结合新技术发展提出的新问题开展研究。

    ④加强安全管理。安全生产管理是项目管理的重要组成部分。管理不善是项目失败的主要原因。“兵熊熊一个，将熊熊一窝”，项目安全管理存在缺陷是所有事故的普遍原因，管理失误往往是从项目经理管理不到位造成的。

    2 提高矿井供电可靠性的措施

    山东省煤炭科学研究所和山东科技大学通过对矿区供电系统在过流保护和高压漏电保护方面存在问题的分析，提出了有效的解决方法。

    此项研究指出：

    ⑴采取相应措施提高过流保护的可靠性。对于设备起动电流大、线路短路电流小引起的问题，可根据系统运行情况采取以下方法解决。

    ①人为增大短路电流，使起动电流和短路电流明显区别开，保证发生短路故障时保护装置可靠动作，起动时电机顺利起动。在电力系统中，短路电流的大小主要是由电源容量和系统阻抗决定的。在一定条件下，尽量选用大容量变压器和大截面供电电缆（减少系统阻抗）来相应提高短路电流值，其缺点是增大了设备的投资。

    ②在保护装置中增加相敏保护。短路状态时系统中的阻抗主要是由线路电阻阻抗决定的，系统功率因数比设备起动时要大得多。根据相敏角cosφ大小差异来判断系统处于起动或短路状态非常可行，但现有保护装置改装技术要求较高。

    ⑵采取安全监测方法，保证电网安全运行。煤矿6kV电网主要由电缆构成，电缆绝缘监测是电网安全的重要保证。如在绝缘下降到超出运行标准允许值或发展为接地事故前发出报警信号，现场人员就能够有目的地处理其存在隐患，从而有效避免电弧、电火花、过电压等危险情况及电缆放炮、燃烧、火灾等事故。

    此外，电网发生突发性单相接地或者监测器虽然已经发出绝缘隐患报警信号但是尚未及时处理而发展为接地事故的时候，在电网上装设的接地保护装置能够及时在0.2s内迅速切除单相接地故障。许多科研院所一直在进行这方面的研究，目前已经有了成熟的产品。

    3 智能巡检综合管理系统在输配电线路应用

    兖州矿业（集团）有限责任公司供电部管理的6kV及以上高压线路共计46条，总长度163.4km，杆塔1180 基，遍布济宁市任城、兖州与邹城三个区市。他们通过引入GPS智能巡检综合管理系统，完成对业务流程的控制及对信息充分共享和利用等综合管理，使输配电线路的运行管理逐步走上标准化、规范化和科学化的轨道。

    GPS智能巡检综合管理系统由掌上电脑数据采集器、服务器软件、工作站软件、掌上电脑软件等组成，具有多种接口模块可与MIS、缺陷管理和状态检修等其它系统集成。其中，系统软件部分主要有卫星定位与地图管理子系统、巡检后台管理子系统、移动数据采集子系统及数据通信子系统。GPS智能巡检综合管理系统充分利用全球定位系统、掌上电脑和计算机网络通信技术的最新研究成果，采用“移动信息平台”概念改变了传统巡检工作方式，最大限度减少漏检、错检现象发生。同时，该系统无需在杆塔或线路上安装任何信息识别载体，直接利用全球卫星定位系统实现线路巡检自动定位、自动记时，具有减少录入工作量及系统总成本的优点。

    通过掌上电脑完成缺陷详细规范记录，实现从缺陷发现到处理及注销的全过程高效监管，巡检管理一目了然，消除缺陷及时准确，使消除缺陷管理逐步走向电子化、信息化。掌上电脑数据采集器可通过USB口接入后台管理机。后台管理机收集掌上电脑数据采集器中的巡检记录信息，完成巡检数据的存储、查询、分析、汇总和报表输出，实现巡检数据的远程传输。网络化的多级机构纵向巡检业务管理使上级部门可随时对其下属机构的巡检数据进行查询、分析及统计，并提供必要的数据接口使线路走向与杆塔位置显示在电子地图上。

    4 煤矿配电网电容电流的治理

    兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿成功采用消弧线圈装置自动跟踪电网对地的电容电流，根据电容电流变化自动跟踪补偿，始终使接地电流最小，完全解决了电网电容电流超标问题，电缆放炮和击穿事故得到了有效的控制，对于电缆单相接地故障的分析处理更为迅速，保证了煤矿生产安全。

    考虑到煤矿6kV电网单相接地电容电流现状和发展趋势，该矿采用2套XBSG-6/65型自动跟踪补偿消弧线圈成套装置，总补偿量达130A，其中固定补偿60A、可调部分70A，可较好满足6kV电网变化（包括供电电缆大面积跳闸或电缆长度减小）和将来发展要求（包括供电电缆长度增加、电缆型号与界面变化等情况）。使用消弧线圈后，电网零序电流方向发生根本性变化，原有中性点不接地系统的无功功率方向型接地保护装置全部无法使用。

    该矿的35kV变电所现有6kV馈出线路25条，他们选用WLD-6型小电流接地系统微机选线装置1套；配套采用 FLHO-2型零序电流互感器，圆形对接式铁芯结构拆装极为方便，线圈参数进行合理选择，相位控制增加补偿调节措施，其结构和性能都有较大突破。WLD- 6型小电流接地系统微机选线装置在消弧线圈接地系统采用零序电流有功分量方向原理，并设置一定的零序电流动作门槛，以躲过电网中的不平衡电流。为了随时考核装置本身是否完好，设置了自检电路，能够对装置的完好性及主要元件（包括零序电流互感器）进行完善自检。该装置时刻监视电网的运行状况，一旦零序电压达到动作值，装置即检测与比较各路零序电流值；若零序电流动作值和方向等都满足，则输出报警信号。

    5 CAN总线技术在电力调度自动化系统应用

    山东科技大学与兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿在实施电力调度系统时，设计应用了站点内部数据采集模块的通信解决措施。经实际运行证明，CAN总线在电力调度的大系统中作为站点内部智能数据模块与计算机间的通信网络，在通信速度、通信距离、抗干扰等方面完全能满足控制系统的要求。

    计算机科学的发展和现场总线控制系统在数据交换的实时性、准确性、快速性方面的突破性进展，为电力网系统经济、合理的调度运行提供了技术保证和技术支持。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。在该电力调度系统，每个分站点均由工控机和若干测控接点组成。所有测控点都以“平等主体”挂接在总线上，每一点对应35kV回路或6kV回路的测控。测控点能采集对应回路的遥信量及遥测量，根据接收到的命令主动将数据发送到CAN总线，通过预先设定的验收码和验收屏蔽码可控制该测控点从总线上接收哪些数据或命令。站点工控机通过CAN卡从CAN总线上接收各节点数据进行处理，再通过网卡到集团千兆网，转发到总调度中心。

    该智能测控节点的软件由两部分组成：一部分为初始化程序，包括对单片机本身的中断、定时器串行口等初始化和CAN控制器初始化；另一部分为测控供电回路电量参数的数据采集处理。

    经过此次煤矿电力调度自动化站点测控节点CAN总线的设计及实践应用，他们体会到了CAN总线比以往采用的其它形式总线在速度、抗干扰能力及高性能上有着巨大的区别，CAN总线设计灵活、可靠性高、布线方便，更适合工业领域到各种集散控制系统。

    6 矿井供电网监测与管理系统

    中国矿业大学和兖州矿业（集团）有限责任公司研制的煤矿供电系统及供电设备微机监测和管理系统，不仅可监测供电系统运行方式和有关电气参数、电气设备工作状态，并且可以对全矿所有的供电设备和材料进行动态管理，极大地提高了煤矿电网管理水平和设备使用效率。

    矿井供电网监测与管理系统包括供电管理系统、井下电网监测系统、供电设备管理系统三个部分。

    供电管理系统由一个微型计算机网络组成。网络服务器安装在机电科，各有关单位安装计算机终端，服务器与工作站间用同轴电缆相连。中央变电所和采区变电所监测到的电网参数通过串行口或者网卡送到机电科，并通过计算机屏幕动态显示供电系统运行状态，绘制电力运行负荷曲线，建立数据库，将各子系统实时数据经处理后生成电力参数统计报表。同时，按照工作时间段进行峰谷电费计价管理。

    井下电网监测系统由地面微机管理主站和井下中央变电所监测分站组成。地面微机管理主站通过RS232通讯口、光端机与井下监测分站相连，收集分站送来的有关电气参数，根据用户的要求对信息进行加工、分析和储存，形成各种文件与报表，建立数据库，并具备如下功能：通过键盘实现人机对话以便随时了解井下变电所设备的运行状态；显示器实时显示井下变电所及电气设备运行状态和有关参数；可随时打印检测数据和报表。井下监测分站设置在井下中央变电所或采区变电所，由多功能转接盒和本安下位机分站构成系统。

    供电设备管理系统可以对全矿各个有关部门在用和库存、在修和待修的各种供电设备和材料进行动态综合管理。

    7 大型矿井供电网络的无功补偿

    感应式异步电动机及其它感应负载在大型矿井的用电设备中占有相当大的比重。这些设备在运行的过程中消耗大量的无功功率，致使供电网络自然功率因数（cosα）一般仅0.8左右。为此，兖州矿业（集团）公司物资部开展了此项研究，提出了大型矿井供电网络的无功补偿设计原则。

    ①从供配电系统设计上采取措施。供电系统构成形式对补偿方式影响很大，全矿用电负荷（特别是工业广场的低压负荷）作全运行过程中需消耗大量无功功率，进行供配电系统设计时尽可能接近用电设备进行分组补偿。对不便设置集中配电所供电的负荷，可在变电所低压侧集中补偿。照明负荷非常分散，一般可在照明专用变压器低压侧集中补偿。矿井地面单机容量大，无功损耗的低压感性负荷较少，一般不个别补偿。

    ②补偿能力确定。过多从电网吸收无功和大量倒送无功同样有害，合理确定补偿能力对电网稳定运行和降低运行费用都至关重要。供电网络在空载和满载运行时，从电网吸收的无功数量差别很大，负荷高峰期和正常负荷下也大不相同，供电电压对不同用电设备寿命影响也不一样。另外，由于功率因数与补偿装置容量呈非线形关系，在补偿到0.95后cosα值即增长很慢，提高同样数值需投入更多补偿容量，供电部门在计算用户无功损耗时是以每月的日平均值为基准的，因此在确定补偿能力时应以平均负载为基础，适当兼顾负荷高峰，使cosα值在空载时接近1，平均负载时不低于0.95，负荷高峰时不低于0.93为宜。考虑到电压升高对照明用电设备使用寿命影响较大，照明供电网络的补偿能力应适当降低。

    8 自动跟踪补偿消弧线圈成套装置的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿鉴于矿井6kV中性点不接地系统存在电容电流超标危害，通过对传统消弧线圈运行问题的深入研究，决定改用XBSG-6/40型自动跟踪补偿消弧线圈成套装置后，电网残余无功电流实测值均小于3A，完全符合《煤矿安全规程》的规定，而且投入补偿速度快，运行安全稳定性良好。

    该矿110/6kV终端变电所一次侧采用110kV进线。随着矿井负荷增大，6kV配电网络中单相接地电容电流急剧增加到46A，而《煤矿安全规程》规定电容电流不允许超过20A。传统的消弧线圈接地为避免产生共谐振而一直处于过补偿状态运行，估算得到的电容电流与实际存在较大误差，有可能由于残流达不到有效抑制而产生弧光过电压；手工调谐需短时停电而失去补偿连续性，如遇系统故障又恰巧发生电网单相接地时易产生过电压；由于补偿方式不同导致残流相差很大，微机选线装置很难与传统消弧线圈结合工作。

    自动跟踪补偿消弧线圈成套装置通过消弧线圈的电源开关柜投切消弧线圈，通过RS485接口接入变电所的综合自动化系统。消弧线圈柜内放置三相五柱式消弧线圈、电抗器、阻尼电阻箱、控制器及控制元件等。利用电源开关柜与消弧线圈柜之间的控制电缆，可以实现闭锁、各种保护跳闸、远程控制等功能。

    该矿110kV变电所共有两段母线，采用两套XBSG-6/40型自动跟踪补偿消弧线圈成套装置分别接在两段母线上，平均分时补偿。每台消弧线圈的补偿容量为50A，可调节范围为30A。两台消弧线圈具有自动联机功能。当母线投入时，两台消弧线圈并列运行，总补偿容量可达100A，调节范围达60A，既满足目前补偿容量需要，也为以后电网扩展预留充分发展空间。

    9 三相五柱式消弧线圈应用效果好

    由兖州矿业（集团）公司综机设备租赁站和鲍店煤矿研制的三相五柱式消弧线圈，在结构上突破传统消弧线圈的模式，将接地变压器与消弧线圈有机结合成一个整体，通过可控硅调节副边电感电流的方法实现对电网对地电容电流的自动跟踪补偿，不仅减小了体积、降低了成本，而且减少了总容量，提高了设备效率，安装、运行、维护更方便。

    我国的工矿企业和城市6～10kV电网中性点大多还是采用不接地方式，但企业电网的供电范围越来越大，不少已采用电缆作为供电线路，城市电网也从以架空线为主逐渐改变为以电缆为主。这些都必然使单相接地电容电流大增。限制单相接地电流通常采用中性点经消弧线圈接地，用消弧线圈的电感电流来抵消电网对地的电容电流，研究中性点经消弧线圈接地具有重要的现实意义。

    传统的消弧线圈都做成单相油浸式，经接地变压器与电网相连。新研制的消弧线圈有5个铁芯柱，中间3个铁芯柱绕有线圈，边柱与中间柱间上下共有4个气隙，边柱上没有线圈。此项成果采用干式结构，体积小、重量轻，全部控制保护装置可放在1台与GG-1A尺寸相同的开关柜内；此外，对电网电容电流的自动跟踪调节采用可控硅控制的二次调感方法，没有机械传动部分，运行可靠、跟踪调节速度快、噪声低。

    迄今为止，三相五柱式消弧线圈已在鲍店煤矿6kV电网和邢台、开滦、龙口、枣庄、徐州等矿区的部分煤矿电网上使用，经多次现场测试，残余电流均小于5A，运行可靠。

    10 低压供电系统的谐波处理

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿针对目前应用日益广泛的电力电子设备和非线形负荷设备整流系统所造成的低压馈电系统谐波畸变问题开展研究，最终通过理论分析找到了解决办法。

    谐波是一种叠加在基波上的电力电路现象。在整流装置中输入纯正弦电压，测试输入电流波形。电流波形是畸变波，其中包含有一个基波电流和高次谐波分量。若处理其中的基波，根据欧姆定律，从电压和负载就可求得电流，因而是电压源问题。谐波的绝对值和相位取决于整流器的接线和控制方式等，但当其成为电流发电机后，其电流单方向流入电源侧，因而是电流源回路。要进一步了解谐波问题的本质就须应用电流源概念。电流源回路的计算可根据基尔霍夫定律，谐波电流易流向阻抗小一方，阻抗的任一方为负时谐波呈扩张振荡。据此，单方向流入电流侧的谐波电流受到被测系统阻抗限制。由于阻抗随频率而变化，这种计算对所有谐波都是必要的。实际回路波形是由一个基波和按此方法得到高次谐波瞬时值合成的波形。

    以上情况说明，基波和谐波在回路内的作用可能很不相同，这就是必须对谐波进行检测的主要根据。对谐波的处理体现在谐波发生源、被测回路阻抗和设备谐波耐受量三个方面。对于谐波发生源，采用价格昂贵的设备在现阶段没有意义。对于设备谐波耐受量，很多设备没有此项指标，况且根本不能改善系统的畸变，所以表征谐波特性的因素是被测回路阻抗。如发生谐波给该回路带来的畸变程度将随着被测回路的阻抗大幅度变化，在谐波发生源和阻抗条件明确的情况下，很容易计算出谐波。在产生谐波主要因素的移相电容器上增加一个串联电抗器，尽量使负阻抗变成正阻抗，以便较大幅度地限制谐波。

    11 煤矿供电系统运行中不安全因素研究

    随着生产技术的发展，原先的先进设备现在已经落后，矿井原有的主供电能力明显不足，时常发生大的供电事故，对安全生产构成威胁，因此必须对矿井变电所进行大的增容改造。为此，兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿对煤矿供电系统运行中的不安全因素开展了研究。

    鉴于主系统短路容量的增加，原有的井下高压电气设备短路容量明显不足，为更好实现系统短路保护，应更换井上、下使用的真空开关。该矿在供电系统改造后，将井下-270变电所DN-10型断路器更换为ZN5-10/630型真空开关即可满足短路保护的要求，对于变电所的下一级开关及地面应用的高压开关也作相应更换。高压开关柜内配置的电流互感器的热稳定性能不足，容易使电流互感器失去作用导致断电保护失效而扩大事故范围，因此对变电所和配电点的电流互感器应经常进行检验，以保证系统正常运行。矿井主变电所的供电配置一定要本着安全、可靠、经济运行的原则进行优化。

    以该矿为例，现在1#主变压器带矿井负荷运行，3#主变压器带选煤厂和工人新村负荷，2#主变压器备用。3#主变压器实际上起了电厂6kV并网线路上网变压器的作用，而电力部门对于电厂的上网变压器不收取基本容量费，因此现在3#主变压器收取的基本容量费是不合理的，可调整供电母线配置，取消3#主变压器供电运行。优化后的电厂6kV并网线路不能与35kV变电所6kVⅠ、Ⅱ二段母线直接相连，可在电厂设置1台隔离变压器以保证发电机组安全运行。优化后还可将选煤厂的负荷调整到6kVⅠ、Ⅱ二段母线上，从而保证选煤厂的双回路供电。

    12 煤矿供电安全监测及管理系统

    随着计算机技术和电子工业的迅猛发展，以微处理器为核心的微机控制系统已广泛深入到煤矿电力领域，但兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿供电系统的运行状态仍停留在依靠报表逐级上报的方式上。为此，他们应用计算机CAD及网络技术对矿井分散的供电系统进行改造，完成了采区变电所电网状态及绝缘监测，在地面建立机电管理网，将地面35kV微机监测纳入了矿WINDOWS NT网络，实现了全矿井上、下变电所的微机监测和管理，并对井下在线监测做了有益的探索。

    该矿供电安全监测及管理系统是一个集矿井供电系统、计算机辅助设计、供电设备管理及供电系统运行参数监测、供电系统运行电量监测为一体的供电监测和管理系统，包括地面35kV变电所供电监测子系统、供电系统CAD及供电设备管理子系统、井下低压电网安全监测子系统三个组成部分，由微机智能多功能串卡、调制解调MODEM通过电话线组网。该系统建立后，35kV变电所完成全部电量监测，能显示负荷曲线、功率因数曲线，并生成操作票和报表的打印功能。系统采取附加低频电源的方法测量电网的绝缘参数，实现了对井下低压电网分支线路的绝缘参数在线监测，并把检测量传至地面，为管理、指挥人员快速处理供电故障提供了准确、可靠的依据。供电系统CAD可视化设计技术的运用，进一步提高了供电设计的自动化程度，使得供电管理更加规范。

    经过几年运行，整个系统的运行情况良好，所监测的数据准确、可靠。实践表明：鲍店煤矿的供电系统从运行状态到设备的完好情况、储备情况，均可通过供电管理网络实现了共享，提高了供电质量及运行效率；井下电网监测系统将井下供配电网的运行状况准确及时地反映到矿调度室，便于管理人员随时掌握井下供电情况，以利作出决策；该系统的建立，可调整电网的峰谷值，减少了供电故障，达到节约用电的增产增收目的。专家们指出：此项成果使供电系统从运行状态到设备的完好情况、储备情况、在修情况，通过供电管理网络实现了资源共享，有助于供电质量、运行效率的提高。

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