試論煤礦井下供電節能線路設計與設備選型

李紅兵

（山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業有限公司，山西晉城 048100）

0 前言

煤礦行業井下作業會受多方面因素的影響，如惡劣的作業條件和環境等，常存在較大安全隱患，加上電力需求的劇增，對井下供電線路的設計和設備質量都提出了更高的要求。因此，為降低井下供電系統的耗能、提高供電的安全可靠性，還應加大煤礦井下供電節能線路設計及設備選型研究力度。

1 煤礦井下供電系統結構和特點分析

1.1 系統結構

煤礦井下供電系統構成較為復雜，根據井下深度的不同又有高壓和低壓兩種供電系統。該系統是由煤礦地面變電所的相關配電裝置、變壓器和供電線路通過電纜把電力傳送到井下中央變電所或采區變電所，并經過變配電點，整個電力輸送過程便會形成供電網，也即供電系統[1]。其涉及的供電線路十分復雜、作業設備種類較多，如變壓器、配電箱、傳感器、斷電器、保護接地裝置、組合開關、防爆運輸機車、通風機等等，若井下供電不足或停電停風，則有可能使瓦斯積聚進而引發瓦斯和煤塵爆炸等重大安全事故。而系統運行過程中常需要多臺設備同時啟停，產生的負荷極大，這便需要一個更加完善的供電系統支撐電力資源的傳輸與應用。

1.2 供電特點

煤礦行業生產環節多而雜，是耗能較多的行業之一。并且井下作業環境較差，供電線路設計復雜，設備負載率大，加上內部和作業空氣中會有一定的易燃材料和物質，進而容易給井下供電系統運行的穩定性和安全性帶來較大沖擊，也會加大供電設備和線路運行的損耗和安全隱患，嚴重時甚至出現漏電、起火、爆炸等安全事故，威脅著井下作業人員的生命安全。這便使得煤礦井下供電具有安全隱患高、設備損耗相對較大、受地質和環境多種因素影響大等特點。因此，為降低電能損耗，實現井下供電的節能環保，對供電節能線路的設計要求非常高，且要配備與當地地質條件和作業需求相適應的供電設備來滿足井下電能運輸的需要。

2 煤礦井下供電節能線路設計探究

煤礦井下作業過程復雜且煩瑣，電能消耗很高，其成本在煤礦行業總生產成本中占比也較大。因此，節能是目前煤礦行業實現可持續發展的戰略目標和手段。這便需要煤礦行業不斷優化井下供電節能線路的設計，確保設計符合國家節能相關的法律法規、政策以及供電線路設計要求，在提高線路運行可靠性和效率的同時，減少線路產生的損耗，也為企業降低生產成本。

2.1 自動化供電系統設計

目前，我國煤礦井下供電系統常用的是深井和淺井兩種。但無論何種，還應利用現代化的高效技術來完善系統，打造自動化的節能的供電系統，為井下作業提供充足照明以及長時間的電源支持，避免出現設備突然停運而引發電力故障的情況，所以在提高供電質量的同時加強對施工人員的安全保障。該系統的設計首先可以從其主要的功能模塊入手：①可以結合電子機械間的空間關系建立能量系統，對電纜長度進行自動計算和自動生成系統圖。其中需要運用機電設備的數量及其三維空間坐標、電纜實體中間點的坐標及數量等變量進行計算。②根據圖形信息和系統供電參數來計算線路和設備的電力損耗，并且會通過改變當下的圖形信息促進系統參數變化，減少電流損耗。③會形成一個設備參數數據庫，容納井下繪圖設計、設備選型、地面設備計算、電纜繪制、設計結果統計等方面的數據圖形信息，實現自動設計和管理的功能。其次，選用新型節能的系統設備，尤其是變壓器和電動機，在確保容量合適的基礎上，選擇固有損耗低的變壓器和電動機，以達到降損的目的。同時可根據電動機運行溫度適當減少電動機容量，以提高其自然功率因素。具體選型見下文。最后，還要優化煤礦井下和地面自動控制系統的設計，結合作業需要設置有效的操作指令來控制相關供電端口的運行，從而及時調節供電需求。

2.2 供電節能線路的設計

煤礦井下供電系統主要通過設計多組回路來構建供電網絡的架線，進而實現雙供電回路的持續電力供給。但由于這種架線技術工藝和流程比較繁雜，不僅影響著供電系統和電流傳輸的安全，還會產生極大的能源損耗。因此，在優化井下供電節能線路設計時，工作人員要從井下中央變電所或采區變電所的供電線路入手，秉持降低供電線路損耗的原則，有效節省線路運行中的電能，以踐行我國節能政策的理念，提高資源能源的利用率。

首先，選用智能化的開關裝置，以便可以及時對設備安全故障或耗能情況進行攔截阻止，如ZNCK-2A 高壓開關智能測控保護器測試系統等。同時，做好開關裝置保護工作。了解井下各供電開關設備的作用，并將其進行分類，例如對于出線開關應設置相應的保護來加強線路的安全，進線開關則無需設置。還有直配負荷開關，它只通過較短的電纜便可接觸到高壓設備，因而也需要設置保護，對于將分隔單母線的分段開關則不用設置保護。

其次，優化井下中央變電所供電節能線路設計。①減少線路電阻。選用電阻率偏小的導線，降低線路電阻值，并根據施工要求縮短導線長度，以免加大電阻。在敷設導線時應盡可能保持直線狀態。②堅持供電備用節能線路和主線路平行設計的原則，在線路輸入端口設計一個斷路診斷裝置，當出現斷路情況時，該裝置便會向備用節能線路系統反饋斷路信號，此時便會即刻閉合進線開關，并啟動備用電源實現節能目的。③有效降低供電線路的損耗，實現節能，可根據當地供電線路的建設與分布等實際情況采取就地補償與集中補償相結合的方式。

最后，優化采區變電所供電節能線路設計。在線路的選用上也需參照文章上述的要求。如可應用10V 高壓輸電線路，工作面配電點使用660V 和1140V 低壓輸電線路。在同時注意敷設方式，并盡量避免出現“走回頭路”的現象，以提高線路輸電的效率。供配電線路可以根據經濟電流密度來選擇合理大小的導線截面，使井下巷道空間愈加暢通、減少電氣設備列車。并且可以采用工作面配電點直流供電的方式，將多個用電設備與供電網絡建立柔性連接，當負荷處于再生制動狀態時，便可將電能直接反饋到電網，進而實現直流輸電網絡擴容和節能的效果，促進供電系統的增容升級[2]。在低壓配電中，可實施季節性負荷的用戶接入方案，如可將其作為山區等地常年使用的供電線路，以實現節能。

3 煤礦井下供電節能設備選型探究

煤礦地面供電綜合自動化系統的設計與應用，可為井下作業人員提供安全保障。但有些地區煤礦井下供電設備比較落后和陳舊，無法滿足供電系統運行的需要，進而時常在電力運輸過程中造成較大的電力消耗。因此，為進一步提高煤礦井下供電的節能效果，還應做好節能設備的選型工作。目前，我國煤礦的電氣設備主要有一般型和礦用防爆型兩類。如真空配電系統會應用PBG1-10 防爆、隔爆型裝置等。在煤礦井下供電節能設備的選型上，工作人員要掌握當地煤礦井下作業環境、地質地勢等狀況，淘汰現有耗能大的老舊設備，采用符合國家標準產品質量標準的設備，避免出現過載情況，并充分考慮排水、通風、井下和地面運輸、提升、供電等方面設備的選型和應用。

①選用材質好、性能先進、低能耗、容量合適的變壓器。例如選用由非晶合金材料制造的S15 型變壓器，它不僅具有抗震、效率高等性能，還可有效降低負載和電力損耗并減少資源浪費。②選用節能提升設備。根據供電系統設計需要選擇型號適用的傳輸皮帶、減速器、發電機、變頻器等裝置，如DTL100 型皮帶、ZSY500-50 型減速器、功率 2×160kW 電壓 380V 的發電機等，有效降低提升過程產生的電力消耗[3]。③優化通風設備，選擇科學合理的巷道斷面，結合供電線路設計最大程度上減少斷面彎道和變化，從而有效降低井巷阻力和通風設備的損耗，達到節約風能、電能資源的效用。④選用主排水泵節能設備。如設置三臺型號為MD280-43×5 的多級離心泵，分別用來作業、檢修、備用。需注意同一設備組中所有裝置型號要相匹配。⑤全面實行綠色照明。在確定煤礦井下供電電壓等級的基礎上選擇合適的照明節能設備。井下和地面均使用高效的節能照明燈具，無需長期照明的地方則可使用定時照明設備或光電控制設備，應用于煤礦井下巷道、采掘工作面中等等，以減少電力消耗。如井下礦用防爆燈可采用127V 的MB14-21/127 型礦用節能熒光燈進行照明；廠房、車間等地方可選擇高壓鈉燈等帶有電子觸發器的氣體放電設備。在一些用電設備的選型上，要選擇無功損耗低、自然功率因素高的設備，如同步電動機等。此外，工作人員還要做好煤礦井下供電設備的“三大保護”工作，即漏電保護、過流保護、接地保護，避免出現設備故障而影響供電系統的正常運行，以提高井下電力傳輸和使用的安全可靠性能，有效減少電流消耗。

4 總結

在現代化進程發展中，我國大力倡導朝著節能友好型社會發展。因此，為順應社會發展潮流，煤礦行業還應不斷完善井下供電系統，優化井下供電節能線路的設計，根據當地井下作業環境以及作業要求選擇適合的供電節能設備，從而有效降低線路和設備損耗，提高供電系統運行的安全穩定性。