煤礦采區(qū)變電所供電方案設(shè)計(jì)及其實(shí)踐應(yīng)用*

張海鵬

(山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105)

0 引 言

煤礦開采中需要使用大量的機(jī)電設(shè)備，這些設(shè)備絕大部分都需要通過電力作為動(dòng)力來源[1]。由此可見，供電網(wǎng)絡(luò)對于礦井開采過程的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用[2]。隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展和對煤礦開采效率要求的逐漸提升，煤礦開采設(shè)備也朝著重型化、大型化方向發(fā)展，功率大小均有了顯著提升[3]。這對井下供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提出了更高的要求[4]。采區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)如果設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)漏電，短路，保護(hù)器拒動(dòng)、誤動(dòng)、越級跳閘等故障問題，嚴(yán)重影響煤礦開采過程的連續(xù)性，進(jìn)而對開采效率產(chǎn)生不良影響[5-6]。筆者在充分分析煤礦采區(qū)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對采區(qū)變電所供電方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行過程穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 煤礦采區(qū)及用電設(shè)備概述

某礦井設(shè)計(jì)的年產(chǎn)量為150萬噸，正常工作時(shí)內(nèi)部包含有兩個(gè)綜掘機(jī)組以及一個(gè)綜采機(jī)組，此外還包括其他的排水設(shè)施和運(yùn)輸設(shè)施等。為了確保井下機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)需要對采區(qū)的變電所供電方案進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。對采區(qū)中使用的采煤設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，主要包括掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等，此外還包含有照明設(shè)備、排水泵等輔助設(shè)施。對這些用電設(shè)備功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大小共計(jì)為2 500 kW左右。用電設(shè)備電壓等級主要分為兩種，第一種為采煤設(shè)備如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等，用電電壓為1 140 V，第二種為其他輔助用電設(shè)備，用電電壓為660 V。

2 采區(qū)變電所總體供電方案設(shè)計(jì)

2.1 變電所基本要求

采區(qū)變電所從煤礦地面的35 kW/6 kW變電站中進(jìn)行引線，為了保障采取變電所的運(yùn)行穩(wěn)定與安全，要求將變電所設(shè)置在圍巖相對比較穩(wěn)定的巷道位置，并且對通風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立供電，以確保通風(fēng)設(shè)備能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。另外還要求采區(qū)變電所采用雙回路對井下設(shè)備及其他輔助設(shè)施進(jìn)行供電。

2.2 總體供電方案設(shè)計(jì)

根據(jù)該煤礦采區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了兩種供電方案，分別為單母線供電和雙母線并列供電。兩種方案各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，但最終決定采用雙母線并列運(yùn)行方式進(jìn)行供電，其中對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)供電。圖1所示為設(shè)計(jì)的煤礦采區(qū)變電所總體供電方案示意圖。

圖1 煤礦采區(qū)變電所總體供電方案示意圖

采取變電所正常工作時(shí)采用雙母線并列方式運(yùn)行，其中一條母線對通風(fēng)機(jī)專門供電，以確保通風(fēng)機(jī)能夠長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行，另一條母線通過分段方式對煤礦采區(qū)所有的用電設(shè)備供電。這種供電方式缺點(diǎn)是需要對通風(fēng)機(jī)使用兩臺(tái)進(jìn)線高開，會(huì)使變電所整體建設(shè)成本有所提升。但方案的優(yōu)勢也非常明顯，采用雙母線并列方式運(yùn)行，兩條母線之間運(yùn)行時(shí)互不干擾。即便采區(qū)其他用電設(shè)備出現(xiàn)故障問題，導(dǎo)致供電線路無法正常供電時(shí)，通風(fēng)機(jī)的供電線路還可以正常工作，以保障礦井安全。另外，在設(shè)計(jì)階段對母聯(lián)開關(guān)兩側(cè)的采煤設(shè)備功率大小進(jìn)行合理分配，確保兩側(cè)的功率平衡。

結(jié)合礦井采區(qū)實(shí)際情況，將變電所設(shè)置在大巷中部位置，該位置的圍巖較為穩(wěn)定，可以保障變電所的安全性，有兩個(gè)出口，分別為一進(jìn)一回，兩個(gè)出口分別與大巷和回風(fēng)大行連接。在對變電所位置尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮設(shè)備尺寸大小及其安全運(yùn)行間距，同時(shí)還要考慮以后的維修方便?；诖?，將變電所位置的寬度和長度分別為設(shè)置為5 m和25 m。在巷道兩側(cè)位置分別設(shè)置排水溝和電纜溝，如圖2所示為煤礦采區(qū)變電所部位的截面示意圖。

圖2 煤礦采區(qū)變電所部位的截面示意圖

3 采區(qū)變電所主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型

3.1 變電器容量的計(jì)算與選型

采區(qū)用電設(shè)備的總體功率雖然在2 500 kW左右，但這些設(shè)備并不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。根據(jù)煤礦開采情況，正常運(yùn)行時(shí)的功率大小大約為總體功率的35%～40%。變電所設(shè)備總?cè)萘縎可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中:∑PTe表示同時(shí)運(yùn)行的采煤設(shè)備額定功率大小，假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)的功率大小為總體功率的40%；cosφ表示井下供電線路的功率因數(shù)，按照0.85計(jì)算；kf、ηpj和η1分別表示設(shè)備平均效率、負(fù)荷系數(shù)、電網(wǎng)效率，分別按0.9、0.75和0.93計(jì)算。則可以計(jì)算得到變電所設(shè)備總?cè)萘縎約為1054 kVA。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用的2臺(tái)型號為KBSG2-T-630/6的變壓器，屬于本質(zhì)安全型變壓器。

此供電方案中需要對通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)供電，需要單獨(dú)設(shè)置專用變壓器。整個(gè)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的功率大小為120 kW，同樣可以計(jì)算得到需要的專用變壓器容量大小為126 kVA。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用的變壓器型號為KBSG2-T-315/6，同樣屬于本質(zhì)安全型變壓器。為了提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，設(shè)置了2臺(tái)變壓器專供通風(fēng)系統(tǒng)使用，其中1臺(tái)主用，1臺(tái)熱機(jī)備用。

3.2 主要電線電纜的選擇

假設(shè)礦井每年正常工作330天，每天主要的采煤設(shè)備運(yùn)行16 h，則煤礦采區(qū)變電所每年運(yùn)行的時(shí)間在5280 h左右。綜合考慮電線的使用安全性和經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過計(jì)算后決定地面變電站引線至采區(qū)變電所采用的電纜型號為MYJV22-3×120，該型號電纜的心部為三根截面面積為120 mm2的銅線組成，表面通過聚氯乙烯絕緣材料進(jìn)行裹覆。而通風(fēng)機(jī)專用變壓器使用的電纜要求相對較低，具體型號為MYJV22-3×90。經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)該型號電纜完全能夠滿足采區(qū)變電所長時(shí)間運(yùn)行時(shí)的基本要求，保障供電系統(tǒng)的安全。

3.3 其他主要電氣設(shè)施的選用

充分考慮礦井實(shí)際供電情況，最終選用BGP9L-6型高壓配電裝置，此型號變壓器為我國自主設(shè)計(jì)研究生產(chǎn)，已經(jīng)達(dá)到了到了國際先進(jìn)水平。BGP9L-6型高壓配電裝置可以對電壓范圍在3～10 kV的供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與控制，并做出相應(yīng)的保護(hù)。經(jīng)過計(jì)算，采取變電所正常工作時(shí)的負(fù)荷電流大小約為390 A?；诖?，選用的高壓配電裝置額定容量大小為400 A。

由于采區(qū)中的采煤設(shè)備及其他用電設(shè)施分散范圍較廣，如果只是采用一個(gè)低壓饋電開關(guān)已然無法滿足實(shí)際使用需要，結(jié)合實(shí)際情況選用多臺(tái)低壓饋電開關(guān)的方式進(jìn)行供電。另外，照明系統(tǒng)和瓦斯電閉鎖監(jiān)控電源采用的綜合保護(hù)裝置型號分別為ZXZ4-2.5/660和ZXZ8-4/660。

4 采區(qū)變電所供電方案實(shí)踐應(yīng)用效果分析

如圖3所示為最終的煤礦采區(qū)變電所具體供電方案，將文中設(shè)計(jì)的煤礦采區(qū)變電所供電方案應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)月時(shí)間的檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該供電方案可以很好的滿足煤礦開采需要，達(dá)到了預(yù)期的效果，采煤設(shè)備及其他的輔助用電設(shè)施能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，鮮有出現(xiàn)斷電的情況。綜上，采區(qū)變電所供電方案的實(shí)踐應(yīng)用，為煤礦高效率開采奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，得到了煤礦企業(yè)人員的一致認(rèn)同。

圖3 煤礦采區(qū)變電所具體供電方案

5 結(jié) 語

煤礦采區(qū)供電系統(tǒng)是煤礦正常開采的基礎(chǔ)，供電方案的優(yōu)劣會(huì)對采煤過程的連續(xù)進(jìn)行及其采煤效率產(chǎn)生重要的影響。此次研究充分結(jié)合煤礦中使用的采煤設(shè)備及其他電氣設(shè)施情況，對采區(qū)供電方案進(jìn)行了系統(tǒng)全面的設(shè)計(jì)，對主要的電氣設(shè)備，如變壓器、電纜和高壓配電裝置等進(jìn)行了選型。將設(shè)計(jì)的采區(qū)供電方案應(yīng)用到煤礦開采實(shí)踐中，進(jìn)行連續(xù)半年的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，供電系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，期間沒有出現(xiàn)大面積斷電情況，為煤礦的正常穩(wěn)定推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。