董東煤礦50118掘進工作面供電設計與實踐

雷琳博，李海川，白翰林,白全林

(1.陜西陜煤澄合礦業有限公司，陜西 渭南 715200；2.西安電子科技大學 基本建設處，陜西 西安 710071；3.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采的不斷深入，長距離掘進巷道也變得愈發常見。與此同時，由于澄合礦區開采地質條件復雜，煤礦頂底板壓力較大，巷道起伏大，巷道變形、底鼓、高低道嚴重，造成設備移動難度大，需要進行擴幫、起底，造成設備移動效率較低。因此，傳統的近距離供電已不能滿足現有礦井的供電要求，需要采用遠距離供電，即將移動變壓器放置于巷道口，該供電方式解決了移動機電設備困難的問題，但同時又出現了新的問題，長距離供電意味著線路壓降過大，設備啟動困難，設備轉矩達不到額定要求，供電線路電壓波動明顯，且保護靈敏性較差，給供電帶來了很大的挑戰[1-3]。為此，提出采用遠距離供電的模式，通過分析計算確定影響供電系統關鍵技術參數的內在因數，進而提高電能質量，以保證掘進工作面安全、可靠、優質的供電，為礦井的安全、高效生產奠定堅實基礎。

1 供電系統方案設計

1.1 工程背景

澄合董東煤礦為年產120萬t的現代化礦井。50118掘進工作面是一個由綜掘機、刮板輸送機、膠帶輸送機、無極繩絞車、水泵、鉆機等設備組成的以掘進為目的的復雜系統，自動化、機械化程度較高。運輸巷道距離長約800 m，為獨頭巷道，全部負荷達459 kW，具有巷道底鼓，運輸條件較差、供電距離遠、負荷大等特點，給礦井安全供電、安全生產及高效生產造成了很大的壓力。

1.2 電力負荷

供電系統采用遠距離供電的模式。在掘進工作面巷道口安裝一臺移動變壓器，作為綜掘工作面機電設備的動力電源，高壓端電壓為10 kV，低壓端電壓為660 V，通過KBZ型饋電開關及QJZ系列真空磁力啟動器為綜掘工作面機電設備供電。綜掘工作面主要的機電設備電力負荷統計見表1。

表1 工作面機電設備電力負荷統計Table 1 Electricity load statistics of electromechanical equipment in working face

1.3 移動變電站容量選擇

根據掘進工作面實際負荷統計情況，利用需用系數法確定移動變壓器容量[4]。需用系數的計算見式(1)

(1)

工作面負荷容量計算見式(2)

(2)

式中，S為移動變電站容量，kVA；cosφ為用電設備的加權平均功率因數，取0.7；∑Pe為總額定功率，kW。綜上，根據計算結果，選擇KBSGZY-630/10移動變壓器即可滿足該工作面電力負荷的需要，保證該工作面的電力供應。

1.4 低壓電纜的選擇和校驗

1.4.1 供電系統

根據50118綜掘工作面生產布局，結合工作面實際情況，現擬定該工作面供電系統如圖1所示。

圖1 50118綜掘工作面供電系統Fig.1 Power supply system of 50118 fully mechanized excavation face

1.4.2 電纜截面選擇

50118掘進工作面1臺移動變壓器提供所有的動力負荷，共計3個供電回路，單臺電動機供電的電流計算。按照電動機額定電流計取，對于多臺電動機饋電回路的供電，計算電流按照需用系數計算電流[5-7]。綜掘機回路1的計算電流為

(3)

水泵回路2的電流計算為

(4)

式中，∑PN為干線電纜所供的電動機額定功率之和，kW；UN為電網額定電壓，kV，取660 V；KX為需用系數，取0.8；cosφ為所帶負荷的加權平均功率因數，取0.85。同理可得，輸送機回路3的計算電流為177 A。根據各回路計算電流選擇電纜截面，依據最大計算電流小于電纜載流量原則選擇合適的電纜截面，電力電纜載流量見表2。綜掘機回路1初選型號MYP-0.66/1.14 3×120+1×35，額定載流量280 A>176 A，可滿足要求。輸送機回路2初選型號MYP-0.66/1.14 3×120+1×35，額定載流量280 A>177 A，可滿足要求。水泵回路3初選型號為MYP-0.66/1.14 3×50+1×16，額定載流150 A>77 A，可滿足要求。

表2 電力電纜載流量Table 2 Current carrying capacity of power cable

1.4.3 電纜截面校驗

綜掘工作面供電系統的系統阻抗、移動變壓器阻抗及各供電回路關鍵技術參數見表3。根據《煤礦井下供配電設計規范》(GB 50417—2007)第6.3.3條規定，“正常運行時電動機的端電壓允許偏移額定電壓±5%，個別特別遠的電動機允許偏移-8%～-10%”[8]，660 V系統末端的電壓損失不得超過5%，允許的電壓損失ΔU=63 V，根據電壓損失校驗截面應選擇一條所帶負荷較大、供電線路較長的回路，如果最小線路能滿足要求，其它線路也能滿足規范要求。在50118掘進工作面中，綜掘機回路1距離較遠，因此，只需要對綜掘機回路進行電纜壓降計算即可。

表3 工作面供電系統關鍵技術參數Table 3 Key technical parameters of working face power supply system

則移動變壓器的電壓損失為

ΔUT=

×U2N/100=15.9 V

(5)

式中，Iw為正常運行時，變壓器低壓側的負荷電流，A；U2N為變壓器二次側額定電壓，V；U2N為變壓器二次側的額定電流，A；ΔP為變壓器的短路損耗，W；SN為變壓器額定容量，kVA；UK為變壓器的阻抗電壓百分數。經計算得移動變壓器的電壓損失為15.9 V。

干線和支線電纜中的電壓損失為

(6)

式中，L為電纜長度，0.8 km；UN為電網額定電壓，660 V；R0,X0為電纜單位長度的電阻和電抗，Ω/km；tanφ為電動機平均功率因數相應的正切值，取1.02。經計算，干線和支線電纜中的電壓損失為46.128 V。

綜上，綜掘機回路1電壓損失總和為∑ΔU=15.9+46.128+0=62 V。經校驗，該壓降小于允許最大損失電壓63 V，因此，校驗合格，電壓降在允許的范圍內。

1.5 過流保護整定及校驗

1.5.1 過流保護整定

綜掘工作面綜掘機包含2個電動機，分別為截割電動機和油泵電動機，其功率分別為100 kW和45 kW。2臺電動機采用分別啟動的方式啟動，綜掘機饋電開關整定值計算見式(7)

IZ=Ist+∑In-1

(7)

式中，IZ為過流繼電器整定動作電流值，A；Ist為最大一臺電動機額定啟動電流，取100×1.15×6=690 A；∑In-1為除最大一臺電動機外所有電動機額定電流之和，45×1.15=51.8 A。計算得到過流繼電器整定動作電流值IZ為 741.8 A。為保障工作面電機安全運行，整定值需具備一定的可靠性[9-10]。取可靠系數1.05，設定電流整定值為780 A。

最遠端兩相短路電流計算見式(8)、式(9)

(8)

(9)

1.5.2 靈敏度校驗

靈敏度系數的計算見式(10)

(10)

代值得，靈敏度系數為2.3。靈敏度系數大于1.5，整定計算值滿足靈敏性要求。

2 方案實施效果

董東煤礦50118綜掘工作面遠距離供電設計方案自實施以來，取得了顯著的經濟效益、安全效益和社會效益。

2.1 滿足供電要求

董東煤礦50118綜掘工作面遠距離供電設計實施后，經實際測試，空載時變電站出口電壓為690 V，工作面控制設備處測得電壓為690 V。負載時，掘進機顯示電壓為650 V，完全滿足設備的正常供電要求，為掘進工作面的安全、可靠、優質供電提供了強有力的保障。

2.2 方案優勢

該工作面長距離供電方案的有效實施，降低了輔助運輸過程中所帶來的安全隱患。人員通行及設備運輸更為方便，減少了巷道的運輸壓力。降低了移動維護設備的工作量和職工的勞動強度，大大提高了生產作業的效率，具有顯著的經濟效益，為該礦井的安全、高效生產奠定了堅實的基礎。

3 結語

為了滿足澄合董東煤礦50118掘進工作面的供電要求，通過理論計算，確定了移動變壓器、電纜、開關的選型，并校驗了開關保護動作的靈敏性，校驗結果符合規范要求。實踐運行經驗表明，該設計合理，保護動作靈敏可靠，確保了掘進工作面供電的連續性、穩定性、可靠性。同時，將移動變壓器放置于巷道口，實現了遠端供電，避免了移動變電站隨掘進工作面頻繁移動，減少了電纜敷設等工序，大幅度降低了掘進工作面勞動強度，改善了掘進工作面的作業環境，具有較好的經濟實用性。