綜采工作面3 300 V長距離高電壓等級供電設計與應用研究

謝東辰

(河南能源化工集團 永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600)

近幾年，隨著煤礦采掘設備重型化的發展，采掘設備裝機功率及供電距離均不斷增加，大型煤礦部分巷道達到2 000 m以上，采面將達到300 m左右，采掘設備電壓壓降增大，設備啟動困難，傳統礦井660、380 V工作面低壓供電系統已不能滿足現代化礦井安全生產的需求，將是制約煤礦安全高效生產的重要因素。

城郊煤礦21106工作面位于十一采區屬二2煤層，切眼長度352 m，是城郊煤礦首個大采長、重型化綜采工作面，工作面配套設備功率達到4 800 kW，裝機功率相當于普通綜采工作面的2倍。采用傳統礦井1 140、660 V工作面低壓供電系統已不能滿足長距離、重型化綜采工作面安全生產的需求，是制約城郊煤礦安全高效生產的重要因素。實現長距離安全供電的方法主要有增加電纜截面(主要是并聯電纜，電纜投入多)、提高功率因數(工作面需增加多臺無功補償裝置，設備列車更長)、提高電壓等級等，其中提高電壓等級能夠比較合理[1-6]。

1 方案設計

1.1 3 300 V電壓等級供電設備

21106綜采工作面采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機等設備使用3 300 V電壓等級進行供電。工作面采用3 300 V電壓等級供電有5條線路，即由動力中心降壓后供工作面采煤機、轉載機和破碎機的3條線路；由移變降壓后經變頻器供刮板輸送機機頭、機尾的2條線路，3 300 V電壓等級供電設備見表1。

表1 3 300 V電壓等級供電設備Tab.1 3 300 V voltage level power supply equipment

1.2 電壓等級及供電系統設置

(1)21106工作面電源來自二水平南翼2號變電所。根據工作面主要設備的容量與布置情況，采用660、1 140、3 300 V三種工作電壓，刮板輸送機設備的電壓為3 300 V(分別由1號移動變電站供電)。上巷膠帶機設備的電壓等級為1 140 V(由5號移動變電站供電)；巷道排水及絞車設備電壓等級為660 V(分別由3號和4號移動變電站供電)。

(2)21106工作面設計2趟高壓回路供電。由二水平南翼2號變電所B6105號、D6205號高壓開關各引出1趟6 kV高壓，其中B6105號負擔1號移動變電站(切眼刮板輸送機設備)和3號移動變電站(工作面1回路排水)及5號移動變電站(上巷膠帶機)供電。D6205號負擔2號移動變電站(切眼采煤機、轉載、破碎、噴霧泵、乳化泵等設備)和4號移動變電站(工作面二回路排水)供電。

(3)正常的甲烷斷電范圍是21106工作面所有非本質安全型電氣設備，通過二水平南翼2號變電所B6105號和D6205號執行斷電，實現甲烷電閉鎖。

1.3 移動變電站與配電點位置的確定

(1)擔負21106工作面切眼設備供電的1號、2號移動變電站及其開關安裝在中間巷內移動設備列車上，可隨工作面的推進，每隔500～600 m移動1次。

(2)擔負21106工作面兩回路排水電源的3號、4號移動變電站及低壓總饋電開關安裝在中間巷車場移變硐室和低壓配電硐室內。擔負21106工作面上巷膠帶機電源的5號移動變電站開關安裝在上巷車場移變硐室內。在下巷車場移變硐室內安裝2臺高爆開關，分別控制下巷工作面設備列車兩回路高壓供電。21106工作面供電系統如圖1所示。

圖1 21106工作面供電系統Fig.1 21106 working face power supply system

1.4 負荷統計及移動變電站選擇

21106工作面供電總負荷4 649.58 kW。據《綜采設備手冊》中對工作面供電系統擬定的原則，選擇4臺移動變電站：①1號移動變電站向切眼刮板機供電，輸出電壓等級3 300 V，選擇1臺KBSGZY-2000/6/2×1.905型移動變電站，其額定容量為2 000 kVA>1 088 kVA能夠滿足要求。②2號動力中心向切眼采煤機、轉載機、破碎機供電，輸出電壓等級為3 300 V；選擇1臺KJZ-3200/6/3.3/1.2-6/8D型動力中心，其3 300 V額定容量為2 500 kVA，其1 140 V額定容量為650 kVA。③3號移動變電站向工作面一回路排水供電，選擇1臺KBSGZY-500/6/0.69型移動變電站。④4號移動變電站向工作面二回路排水供電，選擇1臺KBSGZY-500/6/0.69型移動變電站。⑤5號移動變電站向上巷膠帶機供電，選擇1臺KBSGZY-800/6/1.2型移動變電站。

1.5 供電電纜的選擇

按設計選MYPTJ-3.6/6-3×70+3×25/3+3×2.5型的高壓電纜，其主芯線截面為70 mm2。其中一根電纜負擔1號、3號及5號移動變電站，一根電纜負擔2號和4號移動變電站，每根電纜長度為實際敷設距離的1.1倍，選擇電纜長度2 100 m。

2 關鍵技術

(1)采用移動變電站深入綜采工作面的供電方式雖然能夠保證供電電源穩定性，確保了采煤機、刮板機等大負荷功率設備的正常運行，但每隔50～100 m移動1次不方便，且隨著工作面采長加大后，采煤機、刮板機功率功率增大，需要增加采煤機、刮板機電纜的長度，采用1 140 V供電時允許的電纜長度為400 m，電纜長度增加后，會使供電線路的壓降超過規定，啟動電流增大，刮板機在啟動過程中接觸器由于欠壓維持不住造成跳電。

(2)實現長距離安全供電的方法主要有增加電纜截面(主要是并聯電纜，電纜投入多)、提高功率因數(工作面需增加多臺無功補償裝置，設備列車更長)、提高電壓等級等，其中提高電壓等級能夠比較合理。

(3)考慮到末端電壓壓降和啟動大功率電機時，會沖擊到電網，采用變頻調速和將供電電壓等級提高的方法進行處理，對于3 300 V的供電系統中，線路需要最長而且花費的功率需要最大的為采煤機，如果采煤機的電壓損失可以滿足要求，其余設備的電壓損失也就可以滿足要求。所以，只需效驗采煤機電纜即可。

(4)選擇MG500/1130-WD采煤機、SZZ800/250轉載機和PLM2000破碎機進行驗算。采煤機、轉載機、破碎機共用1臺移動變電站供電，現場3 300 V移動變電站為2 500 kVA，1 140 V移動變電站為650 kVA。因此，選用KBSGZY-3150/6/3.3(1.14)型移動變電站。根據正常運行和啟動運行壓降進行計算，采用3 300 V采煤機常用95 mm2電纜安全供電距離2 077 m。綜采工作面選用1 140 V和3 300 V電壓等級供電，可有效解決因采掘設備裝機功率及供電距離均不斷增加而對煤礦安全生產供電造成的不利影響，延長供電半徑，實現工作面設備列只固定存放在軌道集中大巷，而減少周期性挪移設備列車的麻煩，有效提高了煤礦生產效率。

3 3 300 V電壓等級供電安全措施

隨著綜采工作面電壓等級的提升，會給機電設備管理帶來了一系列的問題，應從以下幾個方面做好機電設備管理[7-10]。

(1)根據《煤礦安全規程》，采區電氣設備使用3 300 V供電時，必須制定專門的安全技術措施。

(2)隨著電壓升級，對設備的各種保護、靈敏程度提出更高的要求，所以加大檢修力度，尤其是各種保護的靈敏程度，定期要對所有電氣開關進行漏電、短路、斷相、過載等各種保護進行試驗，發現有保護不靈敏可靠的及時處理。

(3)電纜線徑變細，需減少電纜外皮的磨損，避免生產過程中拉移電纜時不小心拉傷，對采面拉架時頂板掉渣容易砸傷及劃傷拖移電纜，每天對采面所有電纜進行絕緣監測。

(4)必須配齊各種防護用品及3 300 V專用儀器及工具。

(5)定期檢查電纜連接器的完好狀況，測量電纜頭的溫度并做好記錄。

(6)巷道內的高壓電纜應用電纜鉤吊掛整齊，嚴禁用鐵絲捆扎吊掛。

(7)隨電站前移而多余的電纜，以“8”字形整齊的盤放在專用電纜的平板車上。

(8)所有3 300 V的電纜外觀必須每天檢查一次，并建立記錄臺賬。

(9)電纜的折彎處、移動處，必須用絕緣皮子或電纜卡保護。

(10)3 300 V電纜在移動電站到工作面之間的拖移段必須用絕緣皮子包好，巷道內要用電纜鉤吊掛整齊，嚴禁用鐵絲吊掛，并保證其有足夠的垂度。

4 社會、經濟效益

(1)社會效益。①綜采工作面選用3 300 V電壓等級供電，可有效解決因采掘設備裝機功率及供電距離不斷增加而對煤礦安全生產供電造成的不利影響，延長供電半徑，實現工作面設備列車固定存放在軌道集中大巷，而減少周期性挪移設備列車的麻煩，有效提高了煤礦生產效率。②減少了重型化設備啟動困難、供電電壓壓降較大的問題，同時減少了供電線路和設備因裝機功率較大、電纜起熱引起的電氣故障，提高了生產效率，進一步解放了生產力。

(2)經濟效益。綜采工作面3 300 V長距離高電壓等級供電設計，可提高綜采工作面安全生產可靠性，有效緩解礦井接替緊張造成的產能壓力。若每年減少生產影響時間約5 d，工作面每日生產原煤0.8萬t，按市價800元/t計算，每年可減少經濟損失3 200萬元。

5 結語

城郊煤礦21106重型綜采工作面供電電壓初次采用3 300 V高壓供電，工作面電壓等級升高，采區供電網絡對地電容增大，造成系統單相接地電流升高、接觸電壓增大，加大了人身觸電、短路故障、產生火花造成瓦斯爆炸的安全風險。 通過對3 300 V供電系統設備的日常巡檢、操作、檢修、停送電等全方位，研究和制定專項安全管控措施，有效預防了采掘工作面高壓供電帶來的安全風險，保障了安全生產。