近几年来，兖州矿业（集团）公司及其下属厂矿、研究院所针对矿井地面和井下供电线路运行实践中发现的问题进行了认真的分析和归纳，总结运行经验教训，从巡检管理、电缆故障、谐波治理、电网监控、降损节能、接地保护以及综合保护等多个方面进行综合治理，提出解决措施和方案并进行了实施，有效地保障了矿井地面和井下供电线路的安全、优质运行，取得了良好的效果。

    1 基于GPS系统的供电线路巡检管理系统

    兖州矿业（集团）有限责任公司开发的GPS供电线路巡检管理系统使得线路巡检摆脱了原始繁琐的工作模式，为提高工作效率和质量扫除了空间及距离上的障碍，实现了真正意义上的智能巡检。

    GPS供电线路巡检管理系统是将GPS位置坐标作为设备标识，利用掌上电脑技术实现对供电设备的定位和利用移动GPRS网络来实现实时数据传送相关信息，完成对巡检工作情况的监测。在巡检工作开始之前，首先利用带有GPS模块的掌上电脑采集线路杆塔的GPS位置信息，通过主站软件将其保存到数据库中，然后将含有杆塔GPS位置以及杆塔巡检内容的数据信息下传到掌上电脑中。在线路巡检的过程中，掌上电脑可以显示出电子地图并且进行导航。巡检人员手持掌上电脑到达指定线路杆塔的时候，集成了GPS模块的掌上电脑就会自动识别当前的杆塔GPS位置信息，提示相应的巡检内容，并且将巡检的结果存储在掌上电脑中。

    一条巡检记录包括如下信息：人员坐标位置、巡检工作人员、巡检人员到达杆塔时间、巡检杆塔名称、杆塔状态和参数、巡检完该检查点时间。在巡检的过程中如果发现了缺陷，系统可以给出该缺陷的正确处理办法，以提醒巡检人员注意。巡检人员并且可以通过手写录入或者进行缺陷内容选择等方式将此缺陷的内容进行保存。同时，系统自动激活GPRS无线网络，将数据记录发往通信服务器，通信服务器经过Interner网络与系统服务器、客户端进行数据传送，由后台巡检服务程序处理以后进入系统数据库。在GIS系统配合下可以将实时传回来的位置坐标信息在地图上显示出来，两点之间自动进行连线形成运行轨迹，控制中心可以随时监测巡检工作的情况、车辆的位置和运行的轨迹等。遇到特殊的情况，管理人员可以通过无线网路进行不间断调度指挥。移动终端与后台系统数据库之间保持着数据实时通信，确保巡检的到位率。

    2 6～35kV电网各相接地电容电流的测定

    煤矿井下电缆的单相接地故障比较多。当电容电流比较大的时候，容易形成间歇性弧光接地或者弧光稳定接地，集中表现为电缆接线盒连锁放炮以及电压互感器烧损等。当井下电缆长度发生重大变化的时候必须对电网电容电流进行测定，以便采取限制措施进行治理，消除危害和对矿井安全的威胁。为此，兖州矿业（集团）公司东滩煤矿研究出了只需要一块电流表及电压表就可以测量出矿井电网a、b、c三相各相接地电容电流大小的简易方法，不仅安全方便而且测量精度高。

    在中性点不接地电网中，由于三相不对称性，各相接地电容电流是不相等的，要地测定电网电容电流就必须具体测定各相接地电容电流。事实上，当在某一相对地间附加一个电容以后，附加电容中流过的电流同该相直接接地时的电容电流之间存在着比例关系，一旦确定出这种关系即可以由附加电容中的电流推知该相的接地电容电流。

    测量步骤如下：①测量电网自然不平衡开口电压U0。在电网正常运行的时候去掉电压互感器二次开口三角上的负载（如消谐器或者电阻等），接上电压表。这个时候的电压表读数即为U0，记录这个数值。开口三角到电压表的引线不要拆除。②选定一个备用开关柜或者带有下隔离开关的停送电柜，将选定的电容器或者电容器组同电流表串联以后可靠接地。必须将电容器放在绝缘垫上，外壳可靠接地；电流表两端用一根导线搭接，既接触良好又可以方便地挑开；准备好电容器放电的接地线。③测量系统电压。断开二次开口角上的电压表，自PT柜分别测得ab、bc、ca之间的线电压，取其平均值作为系统电压。④接通二次开口角上的电压表，观察电压表读数，如有变化则改为现时读数，重记U0。⑤将附加电容器接入A相，用绝缘杆挑开电流表两端搭线，记录电流表及开口电压表的读数。⑥退出电容器并放电，检查各接线正确可靠后接入B相，记录电流表及开口电压表的读数。⑦接入C相，操作同上。⑧自PT柜快速测ab、bc、ca间电压，并记录。⑨恢复现场原状，测试完毕（计算方法略）。

    3 煤矿电气接地保护研究

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿通过开展对供电系统接地制式的研究，提高了工程人员对供电系统接地的认识。

    电气接地本身是一个大概念，按其作用分为电气功能性接地和电气保护性接地两大类。电气功能性接地是保证系统能够成立、设备能够正常运行所必须的，例如变压器中性点接地、电子设备专用工作接地等。电气保护性接地是保证系统和设备运行安全及保证相关人员与财产安全，如防雷接地、用电设备正常不带电金属部分接地、架空线N线重复接地等。在保护性接地概念中，用电设备可以分为接零和接地两种保护性接地形式。有些现场施工人员对于接地（接零）和辅助等电位联结的概念容易混淆，其实两者并不是一个概念。

    保护接地（接零）的范围是：①变压器、电动机及电器；②电力设备的传动装置；③室内、室外配电装置的金属构架、钢筋混凝土构架的钢筋及靠近带电部分的金属围栏等；④配电装置与控制装置的框架；⑤电缆的金属外皮及电缆接线盒、终端盒；⑥电力线路的金属保护管、各种金属接线盒（如开关、插座等金属接线盒）、敷线的钢索及起重运输设备的轨道；⑦在非沥青地面场所的小接地短路电流系统架空电力线路的金属杆塔；⑧安装在电力线路杆塔上的开关、电容器等电力设备及其支架等。

    以上这些都是与电气装置有关的。辅助等电位联结范围包含固定式设备的所有够同时触及的外露可导电部分和装置外可导电部分及PE线。它包括结构内金属物、金属水管和风道等非电气装置。保护接地（接零）是必须要做的，而辅助等电位联结则不一定必须要做，如设备故障接触电压经计算能在安全限值以下是可以不做的。保护接地（接零）不允许串联连接，而辅助等电位联结则允许形成环形网路。

    4 井下低压电网智能化综合保护系统

    兖州矿业（集团）有限责任公司在分析目前煤矿综合保护系统存在问题的基础上，研究出了一种新型的智能化综合保护系统，可以完成井下低压电网的选择性漏电保护以及三相对称短路、相间短路、断相和过载等保护功能。

    该系统以MSP430单片机为主控核心，零序电流、电压信号经电流电压转换器及电压传感器转换为系统可接受的电流、电压信号，再配以滤波器、波形变换和信号处理等电路，可完成选择性漏电保护、相敏对称短路保护和负序不对称保护等功能。系统应用软件采用模块化程序设计，通用性强、易于查找故障。软件模块包括初始化模块、相敏对称短路保护模块、不对称故障保护模块、事故处理模块和液晶显示模块。

    煤矿井下存在着各种干扰源，如向机车提供直流电能的晶闸管通断会产生周期性干扰，高低压真空接触器、断路器的频繁分合会产生随机性干扰，井下接地线和铁轨中存在杂散电流干扰等。针对上述干扰源，该系统在电源和信号输入回路中设计了低通滤波器以消除周期性干扰；在信号传输回路中采用光电隔离、模拟对地与数字对地分开等措施以消除电磁干扰；在软件设计中采用双循环去极值数字滤波技术以消除系统中的随机干扰。此外，还设计了软硬件相结合的“看门狗”电路，以提高系统工作的可靠性。

    这种基于零序功率方向的矿井低压电网选择性漏电保护系统不仅有稳定的漏电动作值，而且还能实现电网横向选择性漏电保护和纵向漏电保护。由于采用大规模集成电路设计，增强了系统的抗干扰能力，选择性漏电动作准确可靠，模拟人身触电时达到了规定指标要求。采用相敏对称短路保护使供电保护范围延伸到支线，提高了保护的灵敏度，扩大了井下供电线路保护范围。负序滤波器的设计使两相短路、断相等不对称故障得以保护。系统工作时显示电网正常工作电流、工作电压和对地绝缘电阻，故障时显示故障类型及参数，人机界面友好。现场运行证明，该系统工作稳定、运行可靠、显示清晰准确，具有广阔的应用前景。

    5 煤矿井下电网监控系统

    兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿井下十采区变电所是矿井重要采区变电所，承担着十采区、七采区及一采区的配电，系统影响范围较大。为了更好地对其进行管理、及时掌握现场情况，该矿进行了十采区变电所电网监控改造，对采区变电所内高压控制设备的电流、电压状况进行监控。当发生过流、漏电或掉电等故障时，地面计算机能给出故障部位，并发出报警提示，使值班领导及时安排电路维护人员进行处理；同时，还能通过计算机将故障名称、时间等参数存盘留待事后分析，提高了供电管理水平。

    井下部分主要由ZBT-11系列高保综合保护器和KJF81监控分站构成。

    ZBT-11保护器硬件采用双CPU结构，均可独立运行，提高了可靠性；采取红外遥控方式进行分合闸操作、数据和时间记录查询，实现不停电在线修改定值；引入了合闸闭锁，提高了操作安全性；风电闭锁、瓦斯闭锁作为信号引入，可以记录两者的动作情况，并经延时去抖，提高动作的可靠性；采用双后备电源方式，既有效防止门口短路电压降低造成的拒动，又保证母线真正失压时跳闸。

    KJF81监控分站能及时完成保护装置与地面调度监控系统间的数据交换功能，接收并贮存地面调度中心的命令；采集ZBT-11保护器遥测量、遥信量、事件顺序记录及录波数据等，并向中心站传输；按地面调度中心命令控制高保开关的合闸、分闸；与ZBT-11保护器及主站通讯。

    井上部分主要由KJ137煤矿监测系统专用组态平台和监控工作站等组成。KJ137系统硬件由通讯服务器、数据服务器和监控工作站构成，结构模式分单机模式和网络模式。采用双环自愈的光纤以太环网建成一个高速综合业务数字网，使光纤资源充分共享。该系统所选井下设备属本安型电气设备，完全能够适应矿井的特殊生产环境。

    6 MATLAB语言与电力系统

    兖州矿业（集团）公司机电设备制造厂和武汉电力职业技术学院运用MATLAB语言Simulink工具箱中电力系统模块（Powersys）对电力系统规划设计和安全稳定运行进行了研究分析，具有十分重要的意义。

    MATLAB语言是美国Mathworks公司推出的计算机语言。MATLAB是“矩阵（matrix）和实验室（laboratory）”两个英文单词的前三个字母的组合。它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的要求。现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具。

    MATLAB的用户界面很接近Windows的标准界面，人机交互性强、操作简单。简单的编辑环境提供了较完备的调试系统，程序不必编译就可直接运行，且能及时报告出现错误并进行出错原因分析。MATLAB语言的特点是友好的工作平台和编辑环境、强大的科学计算及数据处理能力、强大而又简易的作图及图形处理功能、强大的应用于各领域的工具箱、模块化的设计和系统级的仿真。

    在电力系统传真方面，Simulink是MATLAB的重要内容及面向框图的仿真软件。以Simulink为基础的电力系统工具箱（Powersys）提供了电力系统各环节的子系统模型，包括电缆（交、直流发电机等）、元件（断路器、变压器、线路等）、各种负荷（电动机、电热器等）、电力电子（二极管、CTO等）、电力测量（电流、电压测量等）及其它很多模型。Simulink工具箱是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，用户可利用鼠标或键盘完成面向框图的系统仿真全部过程，并可更直观、快速和准确地达到仿真目的。

    此项研究表明：MATLAB语言在工程应用和科学研究领域有着其它计算机语言无法比拟的优势，并且编程语言简单明了。MATLAB语言有功能强大的电力系统工具箱（Powersys），特别是电力系统的Simulink建模简单方便，对电力系统的动态仿真十分逼真，是电力系统安全稳定运行分析十分重要的工具。

    7 煤矿供电系统的谐波及抑止对策

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿煤矿开展了对供电系统谐波及抑止对策的研究，对谐波的基本性质和矿井供电系统中谐波的来源和危害进行了分析，总结了治理谐波的若干方法。

    随着矿井生产技术的不断发展, 电力电子装置在煤矿的应用也日益广泛，由此也产生了大量谐波电流，致使矿井电力系统损耗增加、供电质量下降。矿井输电和配电系统中存在大量的电力变压器，严重时三次谐波可占额定电流的5%；晶闸管整流技术在矿井也得到广泛应用，如大功率直流提升机采用晶闸管变流器供电、井下带式胶带机拖动和充电装置、开关电源等也采用晶闸管整流控制技术，整流设备所产生的谐波占整个谐波近40%；变频原理水泵和风机等设备中，因变频装置具有较大功率，也会对电网造成严重谐波污染；充气光电源和家用电器是最普遍的谐波源，这类设备功率虽小但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。

    在注入公共电网的谐波电流超过规程规定数值或谐波电流不超限但电网对特征谐波频率产生并联谐波的情况下应对煤矿电网谐波采取抑止措施。当谐波电流超限时可采取以下治理措施：提高变流器的脉动数，减少低次谐波；将多台变流器接于同一段母线上，利用补偿作用减少谐波；提高变流器的供电电压；设置滤波回路，吸收谐波电流。如果矿井供电系统同时接有谐波源设备和无功补偿电容器，则电网阻抗和电容器的容抗形成一个并联谐振回路，将并联谐振点调到次特征波频率以下或以上，以降低干扰程度。但是，实际电网阻抗不为常数，并联谐振点也在随电网阻抗的变化而变化，尤其补偿装置调节运行时情况更复杂，因此设置动态补偿装置是很重要的，其难度也是很大的。需要做好动态补偿和静态补偿相结合，才能实现对矿井谐波污染的良好治理。

    8 选矿厂电网谐波抑制措施

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿在研究选矿厂电网系统谐波产生原因及其对电气设备和供电线路危害的基础上，提出了增加换流装置相数、改变变压器联结和装设无功补偿器等抑制谐波的具体措施，使原有电网谐波得到有效抑制，保障了选煤厂安全生产的正常运行。

    矿山选矿厂大量采用整流供电的渣浆泵、真空泵、压风机和振动筛等非线性电气设备产生的谐波流入电网中，造成电网的污染。渣浆泵、真空泵、压风机和振动筛等使用晶闸管，通过部分设备变频调速达到节约电能的目的。然而，由于电力电子装置的使用而出现的谐波问题又使电网功率因数下降，造成选矿厂电气元件及设备发生故障，甚至造成设备损坏。因此，谐波是矿山选矿厂供电的一大公害。

    选矿厂电网系统的谐波治理不能单一地在选矿厂变电所6kV母线装设滤波和补偿装置，因为那样只能对上一级电网起到保护作用，而选矿厂6kV母线以下用户仍然受到谐波污染，因此只有综合治理才能达到目的。无功补偿与谐波的防治方法有在无功补偿电容器上串接6%容抗的电抗器滤波、调谐滤波和一定电网等效阻抗位置等。其它有效措施有增加整流装置的相数或脉动数，有效地减少谐波分量；整流变压器采用Dynll联结,使其3n次谐波激磁电流在△接线地一次绕组形成环流,不注入公共地高压电网中；增加系统承受谐波能力，大容量的非线形负荷由短路容量越大的电网供电，其承受的非线性负荷能力越高；对于连续运转的谐波源负荷，在选矿厂变电所母线上装设TCR、TCT或SR型静止无功补偿装置，可以有效地减小谐波量；对于渣浆泵、真空泵、压风机和振动筛等频繁启动的谐波源负荷，可以在用户末端设立静止无功补偿装置SVC，随着负荷的运行而运行，吸收由随机的冲击性负荷产生的谐波。

    9 电力系统继电保护技术

    兖州矿业（集团）公司济东新村通过对我国电力系统继电保护技术发展过程以及微机继电保护技术的研究，认为未来继电保护技术发展的趋势是计算机化、网络化、保护控制测量数据通信一体化和人工智能化。

    在实现继电保护的计算机化和网络化条件下，保护装置实际就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息与数据，也可将所获被保护元件任何信息和数据传递给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

    目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如将上述保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置就地安装在室外变电站被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量控制电缆。如用光纤作为网络传输介质还可免除电磁干扰。现在光电流互感器（OTA）和光电压互感器（OTV）已在研究试验阶段。在采用OTA和OTV的情况下，保护装置应放在距OTA和OTV最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。OTA和OTV的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断，另一方面作为测量量通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。

    10 电网降损节能措施

    线损率是供电企业一项综合性的技术经济指标，也是衡量供电企业经营管理水平的重要标志。线损率的高低不仅表明供电系统技术水平的高低，还能反映出企业管理水平的好坏。最近，兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿对10kV及以下配电降低损耗的节能措施进行了研究，以获得更经济合理的效益。

    ⑴技术线损方面。①调整完善电网结构。调整电网布局，缩短供电半径，高压尽量伸向用户，减少迂回供电；在新增用户时，积极推广应用S8系列和非晶体合金变压器，坚决淘汰高耗能变压器。同时，对原建变电所中维护费用大、技术落后的一、二次设备进行彻底改造。供电半径大的，可以通过科学的分析和计算，就近新建一批技术先进、投资节约的变电所。②调节线路电压。在负载功率不变的条件下，提高线路电压，线路电流就会相应减少，线路损失也会随之降低。③选择变压器经济运行方式。合理选择变压器的容量。变压器容量越大，它空载需要无功功率也越大，因此，不能盲目安装大容量的变压器。④提高功率因数。提高自然功率因数，如正确选用异步电动机的型号和容量、合理选择变压器容量。无功补偿提高功率因素。利用无功补偿设备补偿用电设备所需的无功功率，以达到提高功率因素的目的。无功补偿设备有移相电容器、同步电动机和同步调相机。电容器补偿因具有有功损耗小、安装维护方便、投资少而被广泛应用。补偿方式有随机补偿、随器补偿、线路集中补偿和变电站集中补偿四种方法。

    ⑵管理线损方面。加强组织领导，健全线损管理娃美好；搞好理论计算及线损统计工作；加强计量管理，做好抄、核、收工作；依法治电，深化反窃电工作；经常开展营业用电大普查工作。

    11 32位ARM处理器在电力系统保护设备的应用

    鉴于32位ARM处理器有着较高主频和较强运算能力、可以方便嵌入操作系统的优点，山东科技大学和山东省煤炭科学研究所开展了32位ARM处理器应用于电力系统保护设备的研究。

    该微机保护装置的CPU主系统微机计算部分由ARM S3C44BOX与外部扩展的SDRAM和FLASH组成。S3C44BOX是SAMSUNG公司基于ARM7TDMI核的32位高速处理器，片上集成了丰富的外围功能模块，降低了系统应用成本。模拟输入电路的作用是隔离变换输入电压及完成模数转换，以便与CPU 接口。模拟量经电流（电压）互感器变成电压信号，再进行模数变换。经过VFC方式变换后的数字脉冲被送到计数器进行实时累计，并且暂存在计数器内部的缓冲器。由CPU定时来读取累计值。开关量的输入输出包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入、外部装置闭锁重合闸触点输入及装置连接片位置输入等回路；外部的开关信号经光电耦合器输入。继电保护开关量输出主要有跳闸出口、重合闸出口及就地和中央信号出口等。开关量输出回路经光电隔离控制继电器，提高了其抗干扰的能力。保护装置的输出与启动继电器接点输出闭锁。

    此项设计在ARM芯片内嵌入了uClinux操作系统，实现实时多任务操作，每个任务都设一个优先级，操作系统根据各个优先级可以动态的切换任务。保护程序主要有微机保护主程序、采样中断服务程序和故障处理程序。微机保护主程序主要包括初始化、自检、开中断与等待中断以及循环自检等。采样中断服务程序主要包括采样与计算、TV与TA断线自检以及保护启动元件。故障处理程序包括保护软压板的投切检查、保护定值比较、保护逻辑判断、跳闸处理程序和后加速部分。