快速掘進供電系統在大柳塔煤礦的應用*

林廣旭

(中煤科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近些年,隨著神華神東礦井規模的不斷壯大，采、掘比例失調矛盾日益凸顯，生產接續緊張成為制約礦井生產能力的突出問題，增加掘進隊伍勢必會給煤礦安全管理帶來更大壓力。經反復分析研究，神華神東公司決定與中煤科工集團太原研究院合作,共同開發高效快速掘進系統。該系統由EJM340型全斷面煤巷掘錨機、ZPL1200/165型破碎轉載機、CMM10-30型跨騎式十臂錨桿機、DZY100/160/135型可彎曲帶式輸送機及DZM100/120/55型邁步自移機尾組成。系統不僅解決了掘進、支護之間的矛盾，實現了掘進、支護和運輸3個工序的掘錨平行作業、合理支護、裝運機械化及其之間的優化配置，提高了單進水平和工作效率，而且有效改善了安全環境，實現了降本增效的效果。

1 變壓器容量確定

1.1 主要用電負荷統計

該掘進工作面總負荷約為3 917 kW，主要用電負荷統計見表1。通過主要用電負荷計算移動變壓器負荷參數，變壓器參數如表2所示。

視在功率計算公式為：

(1)

式中：Kx為需用系數；∑Pe為參加計算的用電設備額定功率之和,kW；cosφ為功率因數;Ks為同時系數,取值為1。

根據機械化工作面設置需用系數時,

(2)

根據綜采工作面設置需用系數時,

(3)

式中:PS為最大或同時啟動電動機功率,kW。

表1 主要用電負荷統計

表2 變壓器參數

1.2 設備視在功率計算與校驗

1.2.1 掘錨機變壓器

掘錨機變壓器的視在功率：

1 449.33<2 000 kVA

按計算選變壓器型號為KBSGZY-2000/10/3.45 (中聯)，校驗結果為合格。

1.2.2 1 140 V變壓器

1 140 V變壓器視在功率為：

1 250 kVA

按計算選變壓器型號為KBSGZY-1 250/10/1.2 (中聯),校驗結果為合格。

1.2.3 660 V變壓器

660 V變壓器視在功率為：

800 kVA

按計算選變壓器型號為KBSGZY-800/10/0.693 (中聯)，校驗結果為合格。

1.2.4 主風機變壓器

主風機變壓器視在功率為：

200 kVA

按計算選變壓器型號為KBSGZY-200/10/0.693 (中聯)，校驗結果為合格。

1.2.5 備用風機變壓器

備用風機變壓器視在功率為：

200 kVA

按計算選變壓器型號為KBSGZY-200/10/0.693 (中聯)，校驗結果為合格。

2 供電系統設計

快速掘進工作面采用1 140 V供電，依據標準《煤礦電工手冊》、《煤礦安全規程》、《煤炭工業礦井設計規范》等制定設計原則，匹配掘、支、運一體化設備進行供電系統設計。

2.1 設計原則

1) 在保證供電可靠的前提下，力求節省設備。由一臺變壓器向一個生產環節或工作面的機械供電，以縮小事故所引起的停電范圍。

2) 對于單電源進線的采區變電所，當變壓器不超過2臺且無高壓饋出線時，通常可不設電源斷路器；而當變壓器超過2臺并有高壓饋出線時，則應設進線斷路器。

3) 對生產量較大的綜合機械化工作面或下山排水設備進行低壓供電時，應盡量采用雙回路高壓電源進線及2臺或2臺以上的變壓器，當一回線路或一臺變壓器發生故障時，另一回線路或另一臺變壓器仍能保證工作面正常生產及排水供電。

4) 第一類負荷為高壓設備(如高壓水泵)或變壓器在4臺以上(即采掘工作面較集中的盤區)的采區變電所，應按井下主要變電所的接線原則予以考慮。

5) 變壓器采用分列運行，避免線路對地電流的增加對安全造成威脅。電網絕緣電阻的下降可使漏電繼電器的運行條件惡化，在發生漏電事故時，會因1臺檢漏繼電器控制2臺變壓器的饋電開關，而使停電范圍加大，從而使可靠性降低。

2.2 供電系統設計

根據工作面主要用電負荷，選用5臺變壓器。

1) 主控設備供電系統包括:1臺容量為2 000 kVA，變壓器的變比為10 000 V/3 450 V的KBSGZY-2 000/10/3.45型移動變電站，為全斷面掘錨機供電；1臺容量為1 250 kVA，變壓器的變比為10 000 V/1 200 V的KBSGZY-1 250/10/1.2型移動變電站，為十臂錨桿鉆車、邁步式自移機尾供電、履帶式自移機尾、轉載動力站、濕式除塵風機供電；1臺容量為800 kVA,變壓器的變比為10 000 V/690 V的KBSGZY-800/1.2/0.69型移動變電站，為帶式輸送機、水泵供電。主控設備供電系統如圖1所示。

2) 風機供電系統包括：1臺容量為200 kVA, 變壓器的變比為10 000 V/690 V的KBSGZY-200/10/0.693型移動變電站，為備用局部通風機供電；1臺容量為200 kVA, 變壓器的變比為10 000 V/690 V的KBSGZY-200/10/0.693型移動變電站，為專用局部通風機供電。風機供電系統如圖2所示。

3 高壓配電裝置確定

移動變電站的高壓配電設備是用于動力主線與變壓器之間通斷、控制或保護的重要設備，是掘、支、運一體化設備運行穩定性的支柱,選用時要符合電氣參數和校驗斷流容量兩項依據。高壓配電設備明細見表3。

表3 高壓配電設備明細

3.1 電氣參數選擇

1) 高壓配電裝置的型式應符合標準《煤礦安全規程》中規定的設備選用的有關要求，以及在國標《礦山電力裝置設計規范》中的有關規定。

2) 井下高壓配電裝置的額定電壓應與井下高壓網絡的額定電壓等級相符，即設備的額定電壓不應小于其裝設處的額定電壓。

圖1 主控設備供電系統

3.2 校驗斷流容量

1) 由高開保護的最大三相短路電流計算的短路容量應小于礦用高開斷流容量。

2) 當井下采用非礦用斷路器時，其額定開斷容量折半使用。

4 保護裝置整定

4.1 短路電流計算

短路電流的計算是保護裝置整定值的重要依據，均通過以下公式計算:

1) 兩相短路電流：

2) 三相短路電流：

3) 短路回路內一相電阻值的總和：

4) 短路回路內一相電抗值的總和:

式中：R1、X1、Xx、Uav、Rb、Xb、Kb、R2、X2分別為高壓電纜的電阻電抗、系統電抗、變壓器二次側額定電壓、變壓比、變壓器的電阻電抗、低壓電纜的電阻電抗。

系統電抗計算公式為：

式中，Uav為平均電壓。

根據以上計算公式，得到設備短路電流計算值見表4。

表4 短路電流計算

4.2 高壓開關保護裝置整定

根據表2中參數，負荷額定總功率P,最大電動機功率P1，再通過以下公式計算，得出各移動變壓器高壓開關整定值,詳見表5。

表5 高壓開關整定明細

1) 通過開關負荷電流：

2) 過流保護：

即為一次側實際電流值。

3) 短路保護：

即為一次側實際電流值。

4) 短路電流計算：

5 結論

高效快速掘進系統完善了掘錨分離、平行作業、連續運輸的高集成化思想，實現了掘進、支護和運輸的一體化、連續作業，大大提高了采掘工作效率。快速掘進供電設計打破了傳統的采掘工作面供電設計的配置方式，主要體現在以下幾個方面：

1) 掘、支、運設備的一體化運行與供電設備選擇的匹配，直接影響設備的可靠運行，將通過計算得到的理論依據與實踐探索相結合，匹配出可靠的供電設備及保護參數,為快速掘進系統的安全運行提供了有力保障。

2) 快速掘進系統供電設計在掘進工作面設備列車上及后續巷道內布置了很多供電設備，各個工序之間實現機械化、自動化。

3) 快速掘進系統供電設計中，按照適當集中、合理分布的原則，將所有設備的配電、控制、操作以及泵站、通信、監控等分散在各個設備上，統一安排、集中設計、合理布置，在空間布置、動力源分配等方面布局合理。

4) 強電系統與弱電系統相結合，應用環境監測、設備保護、故障診斷等技術，實現了工況監測、遠距控制、數據觀測及上傳、巷道走向監測以及斷面監測，為機械化掘進工作面的整體自動化、信息化打下基礎。