新一代煤矿变电设备及运行技术

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新一代煤矿变电设备及运行技术 作者：资源网 来源：李剑峰 近几年来，兖州矿业（集团）公司在对煤矿供电系统运行中的不安全因素开展研究的基础上，改造原有的矿山变电装置，并且创造出一些有效的运行新技术，有力地保证了矿井生产的安全。 1 矿用隔爆型移动变电站 由兖州矿业（集团）公司机械制修厂研制的矿用隔爆型移动变电站，在绝缘水平、机械强度等方面均超过了国内的同类产品，达到了国际先进水平。 课题组在调研和收集国内外有关研究资料后，针对目前国内矿用隔爆型移动变电站存在的不完善之处，结合国内综采工作面的供电实际，确定了研究低损耗、大容量移动变电站的目标，并采用计算机仿真研究、实物模拟试验和现场试验相结合的方法开展工作。这种新型的移动变电站采用环氧树脂浇注变压器器身及全波纹长圆形结构外壳的新工艺，防潮性能好、温升低、损耗少、噪声小、难燃耐潮、运行安全可靠、维护简便节能。使用实践表明：此项成果与同等容量的普通移动变电站相比较，每年可以节约电量1万kW·h，具有可观的节能效果，值得推广应用。 2 新型隔爆干式变压器壳体 兖州矿业（集团）公司机械制修厂在分析比较国内外多种隔爆变压器体优缺点的基础上，与煤炭科学研究总院上海分院合作研制出了国内最先进的一种新型1250kVA矿用隔爆型KBSC系列干式变压器，其壳体参考国外公司产品外型设计为椭圆全波纹形，在国内尚无专业厂家能制作的情况下，该厂自行攻关研制成功。经查新，国内还没有此种类型的隔爆外壳，其机械强度和散热性能都比同类产品有较大提高，适应了当今隔爆变压器对外壳的发展要求。 该隔爆外壳具有以下两大优点：①机械性能好。隔爆外壳采用椭圆形全波纹结构，无应力集中区，受力比较均匀。而且，在隔爆外壳强度相对薄弱的地方加设了加强筋和加强角，两侧的法兰、箱壁成为一个坚固的整体，从而使隔爆外壳的机械强度得到加强。②散热性能好。散热面积是衡量变压器壳体散热能力的重要标志。该隔爆外壳的散热面积达22.5m2，比国内同容量的产品大25%。热量最集中的顶部为半圆形波纹板，其散热面积比目前普遍使用的圆弧板增加2～3倍。此外，椭圆形全波纹结构也加快了壳体内热量向周围散发。波纹板的成型与焊接是整个壳体制造的难点，他们采取特殊工艺防止成型时出现局部开裂、拉伤、扭曲等破坏，设计了专门的组对工装，并且严格按照焊接工艺参数控制组对尺寸，有效地确保了壳体的制作质量。 3 国内首台大型真空浇注干式变压器投运 山东金曼克变压器有限公司制造的国内首台31500kVA真空浇注干式变压器在兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿投入正式运行，标志着我国变压器制造跃上一个新水平。 干式变压器具有组装灵活的优势，不再采用油浸式变压器的三相绕组共箱结构，而是三相分别制造，最后根据接线组别组合而成。器身采用拉板紧固结构，具有安装拆除方便等优势。其绕组采用无氧铜绕制、无碱玻璃纤维加强，薄绝缘、树脂不加填料、真空浸渍浇注等先进材料和工艺。高压绕组采用串联分段圆筒式结构加轴向散热气道，气道周边无屏蔽结构。轴向散热气道屏蔽结构使气道内空气间隙两端电压降为零，避免了空气作为绝缘介质承担变压器层间绝缘的功能，层间绝缘转化为气道屏蔽域绕组导体间的电压，其介质为树脂和玻璃纤维组成的单一绝缘体，能承受更高的层间电压，解决了多年的技术难题。 干式变压器自身IP防护等级较低，须置于室内，对散热比油浸式变压器有更高要求。为保证将变压器热量散出去，需配置足够数量冷却风机，且要配备自动温控系统，在变压器线圈及空气温度超限时自动启动冷却风机。为正确反映变压器线圈温度，在变压器线圈每相上均埋设热电阻温度传感器。矿井的主变压器须设有根据负荷情况和系统电压情况进行自动调压的机构。传统油浸式变压器自整角机给定信号进行有载调压的技术已落后，新型变压器采用智能型数字式电动操作机构，核心部件为16位单片机的智能控制器。控制器具有完善接口，可输出BCD码及输入远动信号，实现有载分接开关的远程监视与控制，也可通过RS-485通讯接口与上位机通讯实现遥控、遥讯。110kV级变压器中性点为薄绝缘系统，须防止过电压产生。110kV侧原边三相分别“T”接三只金属氧化物避雷器，用来防止操作和雷击过电压。 4 环氧浇注干式变压器在煤矿井下应用 环氧浇注干式变压器在重要的工业部门中已有取代油浸变压器的趋势，但在煤矿井下的应用还是一片空白。兖州矿业（集团）公司机械制修厂和物资部研制出了KBSC-1250/6矿用隔爆环氧浇注干式变压器。 这种矿用隔爆环氧浇注干式变压器是以环氧浇注干式变压器为器身，配以长圆形全波纹隔爆外壳。隔爆变压器器身的结构设计是以电磁设计计算为基础，从减少损耗、增强绝缘强度、降低温升的角度出发，为适应煤矿井下的巷道运输和停放，变压器的外形尺寸一定要尽可能地小，特别是高度方向的尺寸要降低，因此隔爆变压器器身的铁芯柱直径偏大，高、低压线圈的直径也相应改变。热稳定性是环氧浇注干式变压器在煤矿井下应用需解决的关键问题。 他们采取了以下措施：严格控制环氧树脂的材料构成，选择H级环氧树脂材料，通过在其中添加适量的增韧剂、促进剂、固化剂和填料等配料，改善材料的导热性、机械性能和绝缘性能，使其热膨胀系数和绕线用的铜一致，避免浇注后的线圈因温度的变化而产生热应力，防止绕组的开裂、损坏；线圈采用高温真空压力一次浇注，充分去除水分，提高了线圈的绝缘性能和耐潮性能；铁芯和高、低压线圈之间及线圈内部都设计了气道，增大了线圈的散热面积，改善了冷却条件；长圆形全波纹外壳把隔爆变压器对外界的散热面积增大到最大限度，与国产同容量隔爆变压器外壳相比，散热面积增大20%左右，在热量最集中的顶部散热面积则是传统产品的两倍以上，温升试验和在济宁二号煤矿井下3301工作面进行的工业性试验证实其冷却性能比同类产品的国产变压器优越。 5 分布式变电站微机监测管理系统诞生 山东科技大学和兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿针对煤炭行业变电所的运行状况，研究出了一种分布式变电站微机监测管理系统，对于安全生产和科学管理有着重要的意义。 分布式控制系统（DCS）是基于计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术（即4C技术），通过某种通信网络将分布在工业现场的控制站（分站）、检测站、控制管理站、工程师站联系起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。分布式微机网络是近几年来微机技术与通信技术相互渗透迅速发展起来的一门新技术，集中了当代计算机硬件、软件和通信技术的发展成果，具有良好的可塑性。由于硬件结构简单、操作使用方便、易于扩展和维修，用户可以根据不同的需求来选择系统。 济宁二号煤矿110kV变电所系统庞大，采用双回路电源。室外110kV采用双母线联络和专用旁路母线，有2路110kV出线去济宁三号煤矿，3台12500kVA主变压器承担全矿负荷。110kV设有线路保护、平行线路保护、距离保护、母线母差保护等继电保护，主变压器有过负荷、复合电压电流、轻重瓦斯、纵差、零序方向等继电保护。6kV馈出线俊采用二段式保护6kV室设有43台高压柜，其中有6台进线柜、4台联络柜、1台避雷器柜32台馈出线柜，母线采用小、双母线分段。该分布式变电站微机监测管理系统具有以下功能：检测110kV二回路进线、济宁三号煤矿2路出线及每台主变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、峰谷电量及功率因数；6kV室各个分盘的电流、电压、电量；模拟量越限报警及事件顺序记录；开关分合指示、事故跳闸性质指示、模拟图显示等。 6 110kV主变压器中性点过电压保护配置 兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿对110kV主变压器中性点局部不接地的系统无间隙氧化锌避雷器并联放电间隙加上间隙电压、过电压保护提出了新的配置原则：以避雷器为主，主要针对雷电压、操作过电压；放电间隙为辅，主要针对避雷器额定电压及以上的持续工频过电压。 分析表明，单一避雷器和放电间隙保护主变压器中性点绝缘不可取，如何利用各自长项而避开短项进行配合是考虑的方向。 ①遵循《交流无间隙金属氧化物避雷器使用导则》，在保证雷电冲击残压满足要求前提下，对可能不接地110kV分级绝缘的变压器，选择中性点无间隙氧化锌避雷器1kA规格的额定电压为略大于变压器最高相电压，但目前通行做法是低于最高相电压或额定相电压。 ②棒—棒放电间隙配置原则是弥补氧化锌避雷器无法履行的功能，接近和超过避雷器额定电压持续时间秒级以上工频过电压、非全相重合和铁磁谐振等过电压。棒—棒空气间隙距离突破传统的120mm限制，不仅可保证接地系统中线路单相接地时放电间隙不动作，而且保证在低压侧不带电源的110kV终端站等线路单相接地且失去接地点时放电间隙也不动作，既保护主变压器中性点绝缘和氧化锌避雷器又避免不必要误动。 ③对超过避雷器额定电压的持续时间接近毫秒级雷电波和操作波，氧化锌避雷器可轻松放电限压，间隙动作与否、时间前后不重要，500ms后间隙放电电流保护动作跳闸时大气过电压和操作过电压早已消失。并联放电间隙在避雷器动作之前动作或同时动作对减少截波陡度是有利的，加大了间隙间距还减小了避雷器动作后的残压及间隙再动作几率，对变压器的纵绝缘威胁会减小。④出现在主变压器中性点超过避雷器额定电压的持续时间秒级以上的工频过电压、非全相重合和铁磁谐振带来的过电压，氧化锌避雷器的工频耐受电压时间特性无法承受，承担不了保护住变压器中性点绝缘的重任，但放电间隙可有效限制这种电压。放电间隙动作后在0.5s内靠间隙电流保护动作跳开变压器的断路器，切断电源以保证避雷器不至于爆炸，主变压器不致遭到破坏。 7 变压器瓦斯保护误动作分析及防范措施 兖州矿业（集团）公司东滩煤矿对矿井主变压器跳闸事故进行了分析，针对运行、维护不当等多种原因造成变压器瓦斯保护误动而导致的变压器跳闸问题，采取了有效的治理措施。 该矿35kV变电所2#主变压器为SFFZ9-20000kVA型，有载调压。事故现象为35kV变电所主控室事故照明灯亮，2#主变压器跳闸，开关显示分位，事故无记忆。在查找故障点和故障原因时，发现保护装置无事故记录，属于不明显原因跳闸，因此只能依据2#主变压器保护的整定情况通过排除法确定事故原因，从而找出故障点。2#主变压器外观检查一切正常，未发现明显故障点。联系电气试验室对2#主变压器做电气试验，各项目均正常，信号记忆正常，因此认为事故原因并非差纵动作。检查2#主变压器控制回路接线及DL-221保护装置，查明原因是保护装置内X5、X6电路板内部重瓦斯跳闸回路上的电路有烧坏短接现象，4个电阻表面色环已变色；重瓦斯光电耦合信号电路的电路烧断，但跳闸回路完好，所以试验时保护跳闸装置无信号，属于典型的二次故障引起的误动作。 此次事故原因有三处系人为因素：在安装时将风冷消失信号接到油温高的位置；变压器油温定值（即油温高）在检修中误调到55℃；报警信号通讯板损坏没有及时发现。因此，油温超过设定温度（风冷启动）值时，风冷设备自动运行；当油温超过设定上限温度时保护装置通过继电器发出本体信号（油温高），并监视风冷运行情况；当风冷非正常停止时，保护装置通过继电器发出本体跳闸指令及本体跳闸信号。防范措施除了要加强业务培训以避免人为因素造成的事故隐患外，还应定期全面检查变压器、瓦斯继电器个部件的元器件状态完好情况，严格按规程检验；有可靠有效的防雨、防潮和防振动措施，分之由于环境原因造成瓦斯保护误动作；防止变压器运行中舞碰探针。 8 变压器油故障诊断与防劣再生处理 兖州矿业（集团）有限责任公司开展了变压器油故障诊断与防劣研究，对保障变压器支持运行起到了连好的保障作用。 ⑴从外观上加以分析判断。利用油的外状做分析是最基本的诊断方法。一般情况下，变压器油呈棕色或褐色时，其酸值和水溶性酸往往接近或超过国标注意值，应该引起注意或不宜再用；油浑浊发白表明油内有水分；油色变暗说明变压器油绝缘老化；油色变黑甚至有胶臭味说明变压器内部有故障。 ⑵外观配合气相色谱及其它方法综合分析判断。①油样浑浊发白。如气相色谱仪分析发现H2含量超标，而其它气体含量正常且变化不大，可大致诊断为变压器内部进水受潮，同时结合油的击穿电压来分析。为进一步判别，可做微水分析。油样中产生大量H2的原因，一是水分与铁发生化学反应，二是高电场作用下水分子的分解。②油样油色发黑。油中特征气体H2和C2H2含量高达几千μL/L，变压器因炭化而变黑。③结合分析参数进行判断。做好对变压器油中水分、酸值、水溶性酸、击穿电压、介质损耗因数和界面张力等参数的分析化验。如水分超限可能是密封不严使潮气侵入、超温运行导致固体绝缘老化或油质劣化较深，需更换呼吸器内干燥剂、降低运行温度和采用真空过滤等处理方式。采取合理而有效的防劣措施能减缓油的老化。1000kVA及以上变压器至少采用添加抗氧化剂、安装热虹吸器或薄膜密封等防劣措施中的一种。薄膜保护的变压器具有防潮作用，充填干燥剂的虹吸器也是主要的防潮措施。虹吸器内的硅胶颜色由蓝变红时，表示硅胶吸收水分达到饱和状态，这时必须取出干燥。绝缘油未使用或使用一段时间后会受到不同程度污染和劣化，油的质量指标超过质量允许标准时不能在充油电气设备中继续使用，常用处理方法有沉降法、机械过滤、离心过滤和真空过滤等。 9 110kV变电所继电保护技术改造 兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿将变电所110kV进出线及主变压器原来的继电保护系统改造成为先进的计算机保护系统，适应了现代化矿井生产的需要。 济二矿是该公司第一个采用110kV电压等级变电所供电的矿井，共有两回进线、三回出线，3台SFLT-12500/110主变压器，接线比较复杂。原有保护的问题是：由于均采用电磁式元件，接线复杂，元器件暴露在外，触点易氧化造成接触不良，使可靠性和灵敏度大为降低。维护困难；继电保护定值整定繁琐，精度低；盘面积大，检测监视复杂，经济性差。此项改造的目标是：在保证供电安全与保留原继电保护性能的前提下尽量简化接线。为了进一步提高继电保护的准确性和可靠性，需要增加三段过电流保护作为线路的后备保护，以便在PT断线的情况下及时投入；主变也增加了CT、PT断线保护。因此，他们采用了DFP-210型微机线路保护装置取代PXH-112X型高压线路继电保护四统一型保护装置。对双回路进出线的继电保护改造采取改变运行方式的方法，一路带电运行，一路停电进行改造。先改造备用回路，试验合格投入运行后再改造另一回路。 改造前后的效果对比如下：动作速度由一般稍慢变为较快；由获得高灵敏度选择性及防止误动作较难变为容易获得各种特性；由自动更改定值难度较大变得比较容易；原先对输入波形异常的反应不灵敏故不容易误动，现在需要模拟及数字滤波，处理不好可能造成误动；能够与变电所其它设备实现可靠的结合，不会影响变电所的正常运行，提高了运行的经济性。 10 移动变电站铁芯故障分析与修复技术 兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿2005-3#、2004-15#两台KBSGZY-2000/6/3300型移动变电站在3305工作面使用后升井，修理后转至B4318工作面。在两个工作面使用过程中，2005-3#移动变电站用于750kW后部运输机和400kW转载机的电源供电，2004-15#移动变电站用于1050kW前部运输机的电源供电。使用中未发现明显异常。B4318工作面结束后升井检修时发现铁芯接地故障，他们对此进行了分析和修复。 ①拆检情况。2004-15#移动变电站铁芯移位，低压绕组受挤压变形，低压绕组与铁芯间绝缘层有过热现象，铁芯拉紧装置绝缘过热老化。做例行试验时，绝缘电阻测试通过，直流电阻测试符合要求，工频耐压没有通过测试。在打开2005-3#移动变电站铁芯固定架后发现铁芯上下铁轭部分发生段间位移，铁芯与夹件发生位移，铁芯相对夹件绝缘缺失，造成铁芯多点接地，局部铁损增大、温度升高，导致铁芯拉紧装置绝缘老化。低压绕组与铁芯间绝缘层有过热现象。做绝缘电阻试验，高低压绕组对地绝缘电阻2500Ω；铁芯对地绝缘电阻为0，不合格。 ②原因分析。这两台移动变电站为兖州矿业（集团）公司机械制修厂早期产品，铁芯固定装置在设计上存在缺陷，运输过程发生碰撞或在外力影响下使铁芯位移，造成绝缘件缺失，导致多点接地，在接地点间形成环流，以致局部铁损增大、铁芯发热、拉紧装置和绝缘板受热老化、铁芯覆盖漆脱落，同时使线圈绝缘受到严重破坏，温度保护装置未起到保护作用。 ③修理方案。对变形和绝缘损坏的绕组进行更换；更换铁芯中的全部绝缘件，使用H级绝缘材料（夹件绝缘和绝缘板），重做硅钢片漆，对硅钢片发生段间位移的2005-3#移动变电站铁芯重新叠装；更换拉紧带，并左右各增加两条拉紧带，拉紧带使用涨紧力更好的H200聚酯树脂浸渍玻璃纤维绑扎带；铁芯与低压绕组之间、高低压绕组之间用撑条固定，绝缘板用H级绝缘材料；更换硅橡胶板，处理绝缘垫块；更换锈蚀标准件。 11 变压器谐波及直流分量抑制技术研究 兖州矿业（集团）有限责任公司在对电力系统中谐波分量及直流分量产生及其对变压器危害进行研究的基础上，找到了可以对其有效抑制的技术途径。 ⑴变压器谐波分量的抑制。变压器由于本身的非线性特性产生谐波，而变压器在电力系统中使用极为广泛，所以必须重视这种谐波的污染。对于改善电力系统的供电质量和确保其安全经济运行是十分必要的。通常来说，对变压器谐波分量的抑制和消除谐波的影响有以下几种途径：①从变压器自身考虑，可以利用变压器绕组的接线方式来抑制谐波。考虑到对成三相非正弦波中的三倍次谐波分量的相位均相同，所以通常将三相变压器的原边或副边的任何一个绕组连接成三角形，给三倍次谐波提供通路以抑制严重影响电压波形的三倍次谐波。②利用变压器结合无源滤波装置进行谐波抑制。传统的方法是在变压器的高压侧或低压侧安装无源滤波装置。③利用变压器结合有源滤波装置进行谐波抑制。有源滤波的基本原理是从补偿对象中检测出滤波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种装置能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。这种抑制方式能动态的消除和抑制谐波，并能补偿无功功率。 ⑵变压器直流分量的抑制。由于变压器中性点的直流电流形成变压器的直流偏磁，变压器励磁电流急剧增加，引起励磁回路发生过热、噪声及振动增大。目前对变压器之咯分量的抑制大致有以下几种方法：①变压器中性点注入反向直流电流。②在变压器中性点串联电阻降低流过中性点的直流分量。③在变压器中性点串联高压电容器隔离直流分量。这种保护设备国外有现成的装置，主要适用于小容量变压器防止太阳黑子运动造成的较大直流电流使变压器过载烧毁的。④改变直流电流分布的措施。这种方法主要是分析直流电流在电网中的分布、主要影响因素及其灵敏度，并采取相应的对策。 12 微机保护在矿山变压器上的应用 与传统的机械式继电器相比，微机保护因其具有保护动作灵敏可靠、能够记录故障信息、可以进行远程控制和管理、自检功能强大等特点，所以在全国各类矿区电力系统的35kV变电所得到了迅速推广。目前，兖州矿业（集团）有限责任公司正在使用的微机保护产品就有南京南瑞、山东鲁能、浙江三辰等几种类型。他们对这些产品在本矿区的调试、运行情况及问题进行了总结分析。 其主要内容如下： ①操作和测试有困难。有些厂家的微机保护装置前面板采用全英文界面，而且操作较复杂，对现场维护人员提出了较高的要求。厂家没有提供完善的后台分析和调试软件，缺乏综合试验手段，对于现场操作人员熟悉和了解微机保护的运行带来了难题。 ②产品标准不同。不同厂家的产品使用数据接口和硬件不同，在软件上也是使用各自的标准，计算电流和系统参数也是标准不一。不同产品的软、硬件难以通用，基层保护人员需要在装置的调试和软件分析上投入更多的注意力。 ③控制的问题。目前只有少数煤矿使用集中控制系统，大多数煤矿还是使用单机，造成整个系统的自动化程度低；微机保护的远程控制处于长期关闭状态，造成微机保护装置的部分功能闲置，不能适应变电所自动化运行的要求。 ④微机保护的功能应用不够。有些微机保护产品采用的CPU是16位单片机，受到结构、时钟和总线的限制，其指令功能有限，寻址空间小、运算能力弱，开发平台局限于汇编语言上，微机产品的优势不能充分发挥。微机保护在安装和使用上，大多数仍然沿用原先电磁式继电器固有的功能或者略有增加。微机保护固有的多种保护和后备保护没有投入，极大地浪费了微机保护的资源。 目前，他们正在针对已经发现的问题寻找解决措施，争取早日将矿区的矿山变压器微机保护提高到一个新的水平，真正起到为安全生产保驾护航的作用。