鐵礦礦山工程重要負荷供配電設計淺析

李歡煥

【摘 要】供配電主接線，重要負荷的供配電設計。

【關鍵詞】地采；露采；供配電系統

1 中國鐵礦資源情況

中國鐵礦石的總儲量雖然不小，但是整體品位低，富礦只有兩個百分點左右，而且八成以上都是貧礦甚至極貧礦。前幾年鐵礦石價格高漲，給鋼鐵行業造成了不小的壓力，而且不斷漲價，給國家的經濟發展也造成了不少影響，所以鐵礦資源開發和利用迫在眉睫。但同時鐵礦礦山企業作為經濟實體，不可能不考慮成本和投資的平衡，在中國現有鐵礦資源的情況下，只能朝著大型化發展，也就是說擴大規模，降低單位產品的成本。而且有些露天礦山，經過多年的開采，露天資源已經枯竭，只能繼續往地下發展了。

2 鐵礦礦山工程供配電負荷等級

依據GB 50052-2009，電力負荷應根據對供電可靠性的要求及中斷供電在對人身安全、經濟損失上所造成的影響程度進行分級，具體分為如下負荷：一級負荷，二級負荷，三級負荷。一級負荷中又含有特別重要的負荷。

針對負荷等級的不同，供配電系統的要求也不同，具體如下：

一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞。

一級負荷中特別重要的負荷供電，還應符合下列要求：

1）除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷介入應急供電系統；

2）設備的供電電源的切換時間，應滿足設備允許中斷供電的要求。

二級負荷的供電系統，宜由兩回線路供電。在負荷較小或地區供電條件困難時，二級負荷可由一回6kV及以上專用的架空線供電[1]。

鐵礦礦山工程，根據 GB 50052-2009[1]和GB 50070-2009[2]，一級負荷主要有如下負荷：

1）選礦流程：

a）焙燒回轉窯及其配套冷卻風機；

2）采礦流程：

a）井下有淹沒危險環境礦井的主排水泵；

b）井下有爆炸或對人體健康有嚴重損害危險環境礦井的主通風機；

c）礦井經常升降人員的立井提升機；

d）有淹沒環境露天礦采礦場的排水泵。

3 供配電系統的主接線

為了更方便的描述，將35kV、110kV統稱為高壓，6kV、10kV統稱為中壓。

根據露采和地采的不同特點，以及開拓方式的不同特點，供電負荷等級不相同，供配電主接線也有很多種方式。從電源數量來說，一般有單電源、雙電源、三電源等等，本文僅討論一級負荷或特別負荷的供電，故只討論雙電源和三電源。具有一級負荷鐵礦礦山供配電系統的主接線主要有以下幾種：

3.1 高壓雙電源橋型接線[3]

變壓器相對來說故障率低，而且鐵礦礦山工程不需要經常切換變壓器，故鐵礦礦山一般采用內橋接線。根據主變壓器的設置臺數，又可以分為雙電源內橋+兩臺變壓器以及雙電源內橋擴大+三臺變壓器兩種。前面已經敘述，中國鐵礦品位低，為了提高經濟性，只能擴大規模，負荷相應也很大，但對于中壓斷路器來說，額定電流一般最大只有3150A規格，那么變壓器一般只做到50MVA，而對于有些特大型鐵礦礦山，計算負荷超過50MVA，為了能夠在檢修變壓器等情況下礦山能夠繼續正常運行，故采用三臺主變壓器。中壓采用雙電源單母線分段或者三電源單母線分段。

3.2 高壓雙電源單母線分段

對于有些項目，直接35kV高壓電纜進線，高低壓側都采用單母線分段，設置高壓配電室和中壓配電室室，有些鐵礦礦山項目是綜合項目，不僅選鐵還選鈦等，場地分散，高壓和中壓設置配電室，可以更靈活，以適應相對分散的場地布置。各段母線分開運行，但一段母線故障的情況下，另外一段母線可以承擔所有負荷。

3.3 中壓雙電源單母線分段

對于有些項目，業主負責實施總降壓站，然后送電至鐵礦礦山工程配套的中壓配電室。中壓配電室采用單母線分段。各段母線分開運行，但一段母線故障的情況下，另外一段母線可以承擔所有負荷。

3.4 中壓雙電源單母線一工一備

一級負荷基本為一工一備模式下或者一級負荷為單流程設備下采用。中壓雙電源進線，單母線，工作模式為一工一備，可以減少投資，而且可靠性也能滿足負荷等級要求。

3.5 中壓三電源單母線分段

設置三臺主變壓器的情況，或者項目設置了兩臺主變壓器，再從附近取得第三回電源。

作為一級負荷的備用電源或者作為項目的局部備用電源。一般這類情況下，正常工作的兩段母線分開運行相互備用，但是第三段母線只是作為局部備用電源或者一級負荷的備用電源，并不能作為項目的備用電源，如果工作的兩段母線均故障的情況下，礦山正常的生產是受影響的。

3.6 雙電源單母線分段+柴油發電機組

雖然有雙電源，但是兩回電源獨立性不強或者電源的容量不夠，為了給一級負荷供電，加入柴油發電機組。

4 主要一級負荷和個別負荷的供電設計

4.1 回轉窯供電

回轉窯輔助傳動電機如果供電中斷，會給設備帶來重要影響和損壞，而且維護時間也比較長，所以我們定義回轉窯輔助傳動電機為一級負荷中的重要負荷，所以在滿足中壓雙電源供電的前提下還設置柴油發電機組。中壓不同母線段饋出一回電源給一臺變壓器，每臺變壓器饋出一回低壓電源給一臺雙電源切換開關，自投手復，雙電源切換開關出口經過一臺斷路器接至重要負荷母線段。

重要母線段接至柴油發電機組的并機柜，當檢測到雙電源轉換開關出口斷路器QF下失電，延時5S啟動柴油發電機組，并且切斷雙電源轉換開關出口斷路器QF，防止市電和柴油發電機組并列運行。當然，重要負荷母線段，還接有其他負荷，比如冷卻風機，消防泵等等。

4.2 露天采場供電

采場供電主要給采場工作的設備，比如廢石移動破碎機，礦石移動破碎劑，鉆機，破碎機，以及排水泵等等。如果采場縱深不大，可以設置環形架空線供電網；如果采場縱深大，設置兩回架空線（共桿或者不共桿）供電，然后設置環網柜，兩個電源進入一個電源饋出，這樣可以更好的滿足采場生產要求。

4.3 廢石和礦石運輸開拓系統供電

廢石或礦石運輸開拓系統，一般為單流程設備，外部供電采用雙回不共桿架空線。

如果有高壓設備，采用雙電源進線一工一備；如果沒有高壓設備，可以采用環網柜供電，兩個電源進入一個電源饋出給變壓器。

4.4 副井提升系統供電

副井提升主要作為人員，廢石和輔助材料等提升之用，按照規范要求，屬于一級負荷，必須雙重電源供電。副井提升的供電可以由具有雙電源進線的中壓配電室饋出一路中壓電源給副井提升系統，也可以由具有雙電源進線的中壓配電室不同母線段饋出兩回電源給副井提升系統，副井提升系統設置雙電源切換。載人提升系統供電中斷，會造成困在提升機和滯留在井下人員的恐慌，所以新規范將載人提升機負荷等級提高了。對于某些供電條件不夠的礦山，如果沒有雙重電源，那么必須設置柴油發電機組，作為載人提升機的備用電源。

4.5 井下排水泵

有淹井危險的井下排水泵，是要按照一級負荷供電的。如果淹井，井下設施恢復時間很長，不僅影響生產，還會對設備造成損壞，更有可能造成滯留井下人員的恐慌，甚至淹死。

井下排水泵一般根據幾種涌水情況來設置：一般涌水，最大涌水，極限涌水。設計時一定要考慮好極限容量，要不然極限情況下電源不滿足排水泵運行要求。對于某些供電條件不夠的礦山，如果沒有雙重電源，那么必須設置柴油發電機組。根據開拓方案的不同和排水泵電壓等級的不同，選擇合適的柴油發電機組的電壓等級。這里面又分幾種情況：

A.沒有載人提升機

排水泵電壓等級為低壓，可以直接在地面設置低壓柴油發電機組，然后下井。

排水泵電壓等級為中壓，可以采用低壓柴油發電機組+升壓變壓器或者直接采用中壓柴油發電機組。一般說來，低壓柴油發電機組+升壓變壓器投資相比節省，但是增加了故障點，而且由于引入了變壓器，增加了系統的阻抗，對排水泵的啟動不利。到底選擇那種模式，需要根據系統和設備的具體參數進行技術經濟綜合比較。

B.有載人提升機且不需要和排水泵整體考慮柴油發電機組

這個和A方案一致，根據系統和設備的具體參數進行技術經濟綜合比較。

C.有載人提升機且需要和排水泵整體考慮柴油發電機組

載人提升機一般為中壓供電。

如前所述，可以采用兩種方案：低壓柴油發電機組+升壓變壓器或者直接采用中壓柴油發電機組。

還有一點需要引起重視的是，如果排水泵電壓等級為低壓，排水泵數量比較多，而且極限情況下工作臺數多，負荷容量比較大，這個時候需要選擇兩臺變壓器（可以提高可靠性，減小單臺變壓器的容量），因為受運輸通道的限制以及傳統做法，井下的變壓器不會做得特別大，相比于變壓器，排水泵的功率是比較大的，這個時候就要考慮軟啟動了。

排水泵是非常適合軟啟動的，但是必須要考慮直接啟動和軟啟動的轉換，剛開始，負荷較小。直接啟動排水泵，更快的投入排水，隨著負荷的增加，再直接啟動排水泵，系統可能承受不了，這個時候軟啟動排水泵，但是需要設置相對較高的啟動電流，這樣可以減少啟動時間，具體如何設置，需要根據工程實際參數來確定。

4.6 通風風機

鐵礦礦山和煤礦礦山不同，沒有瓦斯以及有毒氣體，所以負荷等級不是一級負荷。

但是通風風機需要設計正轉和反轉，以滿足送風和抽風的要求；而且有些風機是對旋風機。

一臺風機配備兩個電機，電機啟動和運行需要同步。

4.7 牽引變電所

牽引系統的供電中斷本身不會造成設備的損壞以及人員的傷亡，但是會造成生產的中斷。

礦石廢石運輸會有問題，所以牽引變電所宜設置兩臺變壓器（來自于不同母線段）或中壓單母線分段，整流器一般備用一臺。

5 結束語

現在中國的鐵礦礦山工程越來越大型化，工程負荷容量也越來越大，供配電系統的主接線也越來越復雜，采用何種主接線形式，需要和業主以及當地供電部門反復交流，并做詳細的技術經濟評價。至于一級負荷，需要嚴格遵守國家規范，雙重電源供電甚至柴油發電機組作為備用電源。至于有些非一級負荷，從生產的連續性以及性價比綜合考慮，來確定是否提高供電等級。

【參考文獻】

[1]GB 50052-2009 供配電系統設計規范[S].

[2]GB 50070-2009 礦山電力設計規范[S].

[3]陳延鏢.鋼鐵企業電力設計手冊-上冊[M].1996年1月第1版.北京：譚學余，1996：12-26.

[責任編輯：湯靜]