應(yīng)急電源在金雞灘煤礦中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

王慶洲

（山東兗礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

金雞灘煤礦出現(xiàn)整個(gè)礦井停電時(shí)，很有可能造成淹井事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅到礦井安全生產(chǎn)及員工的生命安全。本著“以人為本，安全第一”的方針，配備礦井應(yīng)急電源[1-2]，保障煤礦外部進(jìn)線電源全部中斷后的礦井撤人、排水等應(yīng)急用電需求。

1 礦井概況

金雞灘煤礦位于陜西榆神礦區(qū)，礦井采用斜井開拓方式，采用中央并列式通風(fēng)、機(jī)械抽出式通風(fēng)方式，主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。金雞灘煤礦目前已回采完6 個(gè)工作面，已形成采空區(qū)積水13 處，積水面積約2 861 163 m2，積水總量為4 282 164 m3，井下涌水量2300 m3/h。

2 增設(shè)應(yīng)急電源的必要性

2020 年11 月8 日，金雞灘煤礦因地網(wǎng)榆林供電公司管理的上級(jí)變電所事故停電造成全礦停電涉險(xiǎn)事故，對(duì)安全生產(chǎn)造成重大影響。

在發(fā)生礦井停電事故時(shí)，井下工作人員可以乘坐防爆柴油無軌膠輪車由井下經(jīng)副斜井安全抵達(dá)地面，保障井下主排水系統(tǒng)在失去外部電源的情況下仍能正常運(yùn)行。

3 礦井供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦井工業(yè)場地建有110 kV 變電所一座，兩回110 kV 進(jìn)線電源均引自110 kV 金雞灘變電站不同母線段，雙回路電源一回路運(yùn)行、一回路帶電熱備用。

工業(yè)場地110 kV 變電站安裝2 臺(tái)SZ11-31500/110/10.5 kV、31 500 kVA 型三相雙繞組全密封式變壓器，同時(shí)工作，負(fù)擔(dān)全礦井負(fù)荷用電。

地面110 kV 變電所內(nèi)110 kV 及10 kV 配電開關(guān)柜均為戶內(nèi)布置，主變壓器室外布置。10 kV 室內(nèi)安裝43 臺(tái)KYN28A-12 型鎧裝移開式交流金屬封閉開關(guān)柜，Ⅰ段1 臺(tái)備用開關(guān)，Ⅱ段2 臺(tái)備用開關(guān)。

4 礦井應(yīng)急負(fù)荷容量

結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)情況，在考慮到礦井供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，應(yīng)急電源保障24 h 內(nèi)井下排水、礦井水處理及礦井通風(fēng)設(shè)備用電。故障出現(xiàn)后，及時(shí)關(guān)閉各工作面密閉放水口，降低工作面密閉排水，工作面停止生產(chǎn)用水，并考慮各泵房水倉容積，確保安全排水。

金雞灘煤礦需保障的應(yīng)急電源主要有中央排水泵房應(yīng)急排水泵1 臺(tái)（10 kV，1000 kW）、一一盤區(qū)排水泵房應(yīng)急排水泵1 臺(tái)（10 kV，1000 kW）、東翼排水泵房排水泵1 臺(tái)（10 kV，500 kW）以及礦井水處理系統(tǒng)和礦井通風(fēng)系統(tǒng)等其他相關(guān)應(yīng)急負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算，金雞灘煤礦應(yīng)急電源需保障用電負(fù)荷：有功功率6270 kW，無功功率3 703.8 kvar，視在功率7 288.24 kVA。

5 應(yīng)急電源方案

5.1 柴油發(fā)電機(jī)組容量確定

金雞灘煤礦應(yīng)急電源配置考慮保障部分排水泵、通風(fēng)及地面水處理系統(tǒng)及其附屬低壓負(fù)荷，總有功功率6270 kW，最大單機(jī)功率1000 kW。

（1）按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)容量

發(fā)電機(jī)總負(fù)荷計(jì)算功率：P∑=6270 kW；

所帶負(fù)荷的綜合效率：η∑=0.88；

發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)：cosφ=0.8；

發(fā)電機(jī)視在功率：

（2）按尖峰負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)容量

發(fā)電機(jī)允許短時(shí)過載系數(shù)：KG=1.5；

最大單臺(tái)或成組電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量：Sm=3529 kVA（按照單臺(tái)1000 kW 水泵，3 倍啟動(dòng)容量考慮）；

因尖峰負(fù)荷造成電壓、頻率降低而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)功率下降的系數(shù)：Kj=0.92；

發(fā)電機(jī)視在功率：

（3）按發(fā)電機(jī)母線允許壓降計(jì)算發(fā)電機(jī)容量

發(fā)電機(jī)母線允許電壓降：ΔU=0.2；

發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電抗：X'd=0.2；

最大單臺(tái)或成組電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量：SstΔ=3529 kVA；

發(fā)電機(jī)視在功率：

三種方式取最大容量=8 906.3 kVA。

（4）柴油發(fā)電機(jī)的額定功率系指絕對(duì)大氣壓力PX為100 kPa（或海拔高度0 m）、環(huán)境溫度Tr為298 K（25 ℃）、空氣相對(duì)濕度30%的情況下，保證能連續(xù)運(yùn)行12 h 的功率（包括超負(fù)荷110%運(yùn)行1 h）。金雞灘煤礦海拔1256 m，空氣相對(duì)濕度60%，日平均最高氣溫為28 ℃，歷史最高氣溫36 ℃，修正系數(shù)為0.78，日平均最低氣溫為-13 ℃，歷史最低氣溫-25 ℃，選用-35#柴油。

（5）按單臺(tái)2000 kW 發(fā)電機(jī)選型計(jì)算

輸 出 功 率：2000×0.78=1560 kW； 發(fā) 電 機(jī)的功率因數(shù)：0.8；發(fā)電機(jī)的容量為1950 kVA；8906.3/1950=4.57 臺(tái)，設(shè)計(jì)選用5 臺(tái)。

通過以上計(jì)算，綜合考慮富裕容量，設(shè)計(jì)選用5 臺(tái)功率為2000 kW/2500 kVA 的柴油發(fā)電機(jī)組，輸出電壓為10.5 kV。

5.2 電氣主接線系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)所發(fā)電力經(jīng)電纜接入配電艙10 kV母線，通過配電艙10 kV 母線，經(jīng)一回路10 kV 出線，送入110/10.5 kV 主變電所10 kV 配電室8#備用柜。

柴油發(fā)電機(jī)10 kV 配電艙電氣設(shè)備：高壓開關(guān)柜選用KYN44-12 鎧裝中置式金屬封閉開關(guān)柜，共7 面。主要包括： 1#～5#柴油發(fā)電機(jī)出口斷路器柜、PT 柜至110 kV 變電所饋線柜。

每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)集裝箱需要提供DC220V 直流操作電源，高壓配電集裝箱內(nèi)配120AH 直流屏。

由礦井110/10.5 kV 變電所配電室為配電集裝箱提供一路380 V、120 kW電源，作為市電總低壓電源。配電集裝箱內(nèi)設(shè)置低壓配電箱一臺(tái)，為每臺(tái)發(fā)電機(jī)組集裝箱提供一路380 V、20 kW 電源，供預(yù)供油泵、蓄電池浮充電和方艙照明等使用。市電和發(fā)電機(jī)組兩路AC380V 電源為每臺(tái)集裝箱機(jī)組進(jìn)行供電。

110 kV 變電所新增設(shè)備：采用110 kV 變電所現(xiàn)有8#備用柜作為進(jìn)線柜，無需新增開關(guān)設(shè)備。

5.3 輸電線路

選用2 根NHYJV22-8.7/10kV-3×240 電纜，電纜溝內(nèi)敷設(shè)時(shí)允許載流量966 A ＞563 A，滿足要求。

由柴油發(fā)電機(jī)組配電艙至110 kV 變電所10 kV 開關(guān)柜電源線路采用電纜溝敷設(shè)方式，線路長度約0.2 km，電纜型號(hào)為2×（NHYJV22-10 kV-3×240）。

5.4 繼電保護(hù)的設(shè)置

（1）柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)功能：超速、欠速、油壓低、水溫高、油溫高、過電壓、欠電壓、過電流、過載、過頻、欠頻、蓄電池電壓低、三次啟動(dòng)失敗、冷卻水液位低報(bào)警等保護(hù)功能。

（2）10 kV 線路保護(hù)：電流速斷、過電流、單相接地保護(hù)。

（3）10 kV 變壓器保護(hù)：電流速斷、過電流、單相接地保護(hù)、變壓器繞組溫度高。

5.5 發(fā)電機(jī)組并機(jī)控制

發(fā)電機(jī)組通過電站控制器將發(fā)電機(jī)保護(hù)，機(jī)組起、停控制，調(diào)速、調(diào)壓、同步，電站功率管理等高度集成，具有如下功能：

（1）控制器控制模式的切換。控制器前面板具有“自動(dòng)”“手動(dòng)”模式按鈕，可人工通過控制器前面板按鈕切換運(yùn)行方式，也可設(shè)置一鍵按鈕（例如控制柜前面板上的按鈕）進(jìn)行切換。

（2）負(fù)載分配。控制器采用數(shù)字式自動(dòng)負(fù)載分配控制器，將負(fù)載（有功和無功）在各機(jī)組間進(jìn)行均分。

（3）手動(dòng)同步和負(fù)載分配功能。具有自動(dòng)、手動(dòng)同步和負(fù)載分配功能，在主控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，每臺(tái)機(jī)組可以分別與母排實(shí)現(xiàn)手動(dòng)并機(jī)。機(jī)組通過手動(dòng)并機(jī)后，所有在線并機(jī)機(jī)組可按比例進(jìn)行負(fù)載分配。

（4）調(diào)速、調(diào)壓。具有調(diào)速、調(diào)壓功能，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速和發(fā)電機(jī)的調(diào)壓功能，即有同步、合閘、負(fù)載分配等功能。

（5）控制器屏幕顯示。控制器顯示屏可用中文顯示出機(jī)組參數(shù)。頻率(范圍45～55 Hz)；功率因數(shù)；運(yùn)行時(shí)間；發(fā)電機(jī)電壓；發(fā)電機(jī)電流；發(fā)電機(jī)有功功率；發(fā)電機(jī)無功功率。蓄電池；可自動(dòng)檢測(cè)電池電壓，可設(shè)置低壓報(bào)警。斷路器事故跳閘（含發(fā)電機(jī)過電流，供電母線、短路、斷相、電壓過高、失壓等故障）；機(jī)油溫度高（預(yù)報(bào)）；機(jī)油壓力過低（停機(jī)）；水溫過高（停機(jī)）；機(jī)油壓力低（預(yù)報(bào)）；水溫高（預(yù)報(bào)）；發(fā)動(dòng)機(jī)超速；三相負(fù)荷不平衡超限；電池系統(tǒng)故障等。斷路器的閉合；發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行；空氣斷路器斷開；發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)控制運(yùn)行；發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行；主電源供電正常。

（6）電站功率的均衡分配。控制器之間采用CAN BUS 進(jìn)行負(fù)載分配，機(jī)組控制器之間是通過CAN 總線連接的，有功分配及功率管理是通過CAN 總線來實(shí)現(xiàn)的。

5.6 供油系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)組本體日用油箱容量為1000 L，日用油箱采用高位布置，本體布置油位繼電器和油位計(jì)，設(shè)有HH、H、L、LL 點(diǎn)，提供4～20 mA 信號(hào)供油控制柜采集使用，可由集裝箱中的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警開關(guān)控制，當(dāng)遇到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，可以通過重力卸油。

根據(jù)廠家資料，柴油發(fā)電機(jī)組單位耗油量為0.2 kg/kWh，-35#柴油密 度為0.82 kg/L，2000 kW 柴油發(fā)電機(jī)組日用油箱1000 L，額定功率下持續(xù)工作時(shí)間為：T=0.2×2000=400 kg/h；t=1000×0.82/400=2 h。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，若滿足5 臺(tái)2000 kW 柴油發(fā)電機(jī)額定功率下持續(xù)工作超過2 h，礦方應(yīng)租賃相應(yīng)容量加油車作為發(fā)電機(jī)組備用儲(chǔ)油設(shè)施，電動(dòng)油泵根據(jù)日用油箱油位自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)油。

6 結(jié)語

在煤礦企業(yè)中增設(shè)第三電源作為應(yīng)急電源，尤其是采用穩(wěn)定可靠的柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源是非常必要的，值得在煤礦企業(yè)或?qū)╇娍煽啃砸蟾叩南嚓P(guān)企業(yè)推廣使用。