大采高綜采工作面供電技術的發(fā)展與應用

李占平

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

大采高綜采工作面供電技術的發(fā)展與應用

李占平

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

Development and Application of Power-supply Technology in Full-mechan izedM in ing Face with LargeM in ing Height

介紹了大采高工作面供電系統(tǒng)的主要組成,分析了 10kV入井、3.3kV工作面高壓供電的優(yōu)越性和可行性,研究工作面智能型、大容量、高壓供電設備的發(fā)展趨勢,對推動我國大采高工作面供電技術的進步具有重要的意義。

大采高綜采;高電壓;智能化;大容量

1 大采高綜采工作面供電系統(tǒng)組成

我國厚煤層資源豐富,厚煤層開采在保障煤炭生產(chǎn)供應能力中占有重要地位。近幾年,厚煤層大采高綜采工作面成套設備配套不斷優(yōu)化、設備裝備水平不斷提高,安全、可靠、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)配套設備不斷完善,為大采高工作面的安全運行提供了有力保障[1]。

大采高綜采工作面供電系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:可靠、優(yōu)質、經(jīng)濟的電源;保護功能完善、靈敏度高的開關;電壓輸出穩(wěn)定、損耗少的變壓器;連接各種電氣設備的動力電纜以及各類用電設備等。

2 大采高綜采工作面高壓供電技術

目前大采高電牽引采煤機總裝機功率已達到了2000kW以上 (如采煤機功率達 2590kW),隨著采煤機、刮板機等工礦設備總裝機功率的加大,按常規(guī)設計的供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。如果仍然采用目前的 6kV入井,工作面 660V或 1140V工作電壓,必然造成電纜截面加大,給電纜的安裝、維護和管理帶來困難。因此,為解決大采高工作面供電系統(tǒng)的問題,須將入井電壓提升至 10kV,工作面電壓升至 3.3kV。

2.1 10kV下井供電系統(tǒng)

2.1.1 10kV和 6kV下井電壓參數(shù)計算比較

電網(wǎng)輸送能力與電壓的計算公式:

式中,S為導線的輸送容量,kVA;Z為導線的阻抗值 (與導線的長度、截面有關,即 Z為導線單位長度阻抗 Zu與導線長度L的乘積),Ω;U為電網(wǎng)電壓,kV。

將下井供電電壓由 6kV提高到 10kV時,根據(jù)公式 (1),則:

即:

式中,(S·Z)10,(S·Z)6分別為 10kV與 6kV電網(wǎng)的輸送容量和阻抗;U10,U6分別為 10kV和6kV電網(wǎng)電壓。

從式 (2)中可以看出,若電網(wǎng)輸送容量 (S)和導線單位長度阻抗 (Zu)不變,則輸送距離(L)可以增長 2.78倍;若線路阻抗 Z=Zu·L不變,則可提高輸送容量 (S)2.78倍。

2.1.2 10kV和 6kV下井電壓的經(jīng)濟性比較

提高電網(wǎng)輸送能力,可取得的經(jīng)濟技術效益:

(1)多數(shù)大型礦井需要在風井安裝電纜供井下采區(qū)負荷,由于供電距離遠、負荷大,6kV電壓供電已不能滿足要求,采用 10kV供電,可提高供電能力和供電可靠性。

(2)下井電纜截面大約可減小一半,可以節(jié)約相應的設備投資。

(3)減少電網(wǎng)的電力損耗。

(4)采用 10kV電壓供電后,一些地面工礦企業(yè)可以省略 10kV/6kV變壓環(huán)節(jié),節(jié)約相應的配電設備投資。

經(jīng)過多年來的技術創(chuàng)新改造,目前的 10kV井下開關設備、變壓器、電纜等電氣設備的各項指標已能夠滿足井下 10kV供電的要求。正因為 10kV電壓入井的諸多優(yōu)點,我國厚煤層大采高工作面均采取 10kV供電電壓直接入井,如陜西紅柳林礦、檸條塔礦和內(nèi)蒙古補連塔礦等,投產(chǎn)后的礦井取得了巨大的經(jīng)濟效益[2]。

2.2 工作面 3.3kV供電系統(tǒng)

上世紀 90年代以來,在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上,我國逐步改造和新建了一批大型現(xiàn)代化礦井,在這些礦井中,電壓升高至 3.3kV,達到一井 1～2個工作面,工作面年產(chǎn)達到 6.0Mt以上。目前,國內(nèi)大部分的高產(chǎn)高效綜采工作面大都采用了3.3kV供電系統(tǒng)。

(1)工作面 1.14kV供電系統(tǒng)的局限性 經(jīng)常達不到功率大于 2×300kW AFC驅動裝置起動扭矩的要求;采煤設備對供電功率的要求已使供電設施諸如巷道配電箱、拖曳電纜和電纜接頭的電流達到了極限;工作面的設計已受到可供給 AFC驅動裝置和采煤機的功率極限的限制。

人們曾考慮過消除這些限制條件的方法,雖然增大供電設備的額定電流是能辦到的,但因為需要重新設計和更新一些設備,而且更大截面的電纜拖曳移動起來十分困難。因此,最好的辦法是提高工作面設備用電電壓。

(2)選擇 3.3kV電壓的理由及其優(yōu)點 我國煤礦在選擇使用 3.3kV供電電壓時考慮了以下因素:國外煤礦已有使用 3.3kV供電系統(tǒng)的現(xiàn)成設備及經(jīng)驗;3.3kV是我國承認的電壓等級;具有在地面使用 3.3kV以上設備的經(jīng)驗。

電壓升級為 3.3kV后的優(yōu)點:在工作面的設計中可采用功率高達 750kW以上的驅動裝置;工作面電壓的穩(wěn)定性將大大提高;可減小移動電纜的尺寸,從而節(jié)約成本。

目前工作面 3.3kV供電設備 (如防爆變壓器和防爆組合開關等)的設計和生產(chǎn)都已經(jīng)很成熟,并已經(jīng)成功應用于我國各大煤礦。因此,大采高工作面采用 3.3kV供電系統(tǒng)是我國煤礦發(fā)展的必然趨勢[3]。

3 大采高綜采工作面供電設備

隨著大采高工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機等設備裝備水平不斷提高,與之配套使用的供電設備技術也應不斷完善。因此,研究使用新型真空配電裝置、大容量移動變電站、智能組合開關、智能型真空電磁啟動器等技術先進的礦用隔爆型設備是大采高工作面供電技術發(fā)展的必然要求。

3.1 新型礦用隔爆型高壓真空配電裝置

礦用隔爆型高壓真空配電裝置是煤礦井下饋送電的重要設備。隨著 10kV下井技術的發(fā)展,大采高工作面電機單機容量的增大以及全礦井自動化的實施,提高生產(chǎn)效率,降低成本,對井下的配電裝置的設計提出了更高的要求。所以,研制高可靠性、智能化的新型礦用隔爆型高壓真空配電裝置是技術發(fā)展的需要。

新型礦用隔爆型高壓配電裝置采用永磁操作機構斷路器代替彈簧操作機構斷路器、固封極柱滅弧室和智能綜合保護器,較以往使用的高爆開關故障明顯減少,保護靈敏可靠,操作簡單,性能穩(wěn)定,維修方便,大大提高了供電的安全性、可靠性,保證了各用電區(qū)域的正常供電,提高了生產(chǎn)效率,特別是對移動變電站的可靠供電及保護發(fā)揮了重要作用,有力地保障了安全生產(chǎn)。

3.2 10kV大容量礦用隔爆型移動變電站

隨著采煤機械單機容量的增大,特別是大采高工作面總裝機容量急劇增加,對供電設備的要求越來越高。礦用隔爆型移動變電站是高產(chǎn)高效綜合機械化采煤的主要供電設備,因此,研究開發(fā)性能可靠、技術先進的高電壓、大容量移動變電站是實現(xiàn)大采高高效綜采必須解決的問題。

新型 10kV大容量礦用隔爆型移動變電站采用大容量干式變壓器,其容量可達 6300kVA;低壓側采用低壓綜合保護箱,保護箱不帶開關,保護器采用 PLC可編程智能化綜合保護;高壓側采用帶獨立隔離的高壓真空開關,并且由單純的手動合閘發(fā)展到手動、電動雙重合閘,保護器采用 PLC可編程控制器和液晶顯示器系統(tǒng),具有過載、斷路、斷相、過壓、欠壓、超溫、急停、低壓側后備等保護功能。

國內(nèi)新型 10kV大容量 6300kVA/10/3.3礦用隔爆移動變電站已在神華集團神東公司投入使用,為煤礦井下供電提供了更安全、可靠的保障,為我國大采高工作面供電技術的發(fā)展起到了積極作用。

3.3 智能型大容量多組合組合開關

組合開關是對綜合機械化采煤工作面主要負荷進行集中控制與保護的電氣設備,可以提高設備的自動化程度,實現(xiàn)多臺電機之間的邏輯控制關系,是真空電磁啟動器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。其性能的優(yōu)劣直接關系著被控電動機運行的可靠性和安全性,以致整個工作面的生產(chǎn)狀況。因此,研制多回路、多控制方式、智能化程度高、具有通訊、監(jiān)測功能、具有工作面設備聯(lián)動控制功能的組合開關,有利于工作面供電設備的壓縮,同時也能提升整個工作面供電設備的可靠性。

隨著煤礦井下工作面工作電壓的提升,很多防爆開關生產(chǎn)廠家已經(jīng)設計出適用于電壓 3.3kV供電系統(tǒng)的 KJZ系列智能礦用隔爆兼本質安全型真空組合開關 (簡稱組合開關),該組合開關是專為綜采工作面大功率機電設備設計的全數(shù)字控制智能組合啟動控制設備,對工作面采煤機、刮板輸送機等大功率綜采設備進行啟動、停止、反轉、雙速切換及主、從順序控制,并能對電動機及供電線路進行過載、短路、斷相、漏電、漏電閉鎖、高壓絕緣監(jiān)視、接觸器粘連、過壓、欠壓保護。3.3kV組合開關可內(nèi)置采煤機監(jiān)測、顯示裝置,能與 TTT和CST刮板軟啟動裝置配套使用,并能實現(xiàn)采煤機和輸送機的數(shù)據(jù)傳輸。

工作面生產(chǎn)的運行情況表明,KJZ系列智能型大容量真空組合開關性能可靠,能滿足井下大采高工作面大功率采煤設備的控制和保護功能。

4 大采高綜采工作面供電設備選型

隨著大采高配套設備、供電及自動化控制技術的發(fā)展,一些大型礦井大采高采煤工作面所用的輸送機和采煤機等機械設備均采用 3.3kV電壓供電,并大量采用高集成度的負荷中心或更高集成度的配電變壓器和負荷中心一體的新型設備,改善了采區(qū)電網(wǎng)和工作面大功率電氣設備的運行工況。

以某一工作面為例,該工作面長度為 300m,走向長約為 3200m,采高 5.0～6.8m,設計生產(chǎn)能力12Mt/a。

工作面配套設備:中間架 ZY17000/32/70D;采煤機 SL1000;刮板輸送機 SGZ1400/4500;轉載機 SZZ1600/700;破碎機 PLM6000;乳化液泵站S500;噴霧泵站 S300。

工作面供電系統(tǒng)高壓為 10kV,低壓為 3.3kV和 1140V,其中采煤機、刮板輸送機、轉載機和破碎機采用 3.3kV電壓供電,其余電氣設備采用1140V電壓供電。

工作面用移動變電站和組合開關配套結果分別如表 1和表 2所示。

表1 工作面用移動變電站

表2 工作面用組合開關

5 結束語

隨著大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井,尤其是大采高工作面裝機功率的越來越大,電壓升級是今后的必然趨勢。與大采高工作面采煤裝備的提高相配套的供電設備技術也應不斷完善、升級。目前,大采高工作面高壓供電技術的成功應用,提高了礦井經(jīng)濟效益,提升了礦井科技水平,推動了大采高技術的進步,對國家建設億噸級大型煤炭基地具有示范和借鑒作用。

[1]王金華 .我國大采高綜采技術與裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤炭科學技術,2006,34(1).

[2]何麗華,楊 溢,等 .工礦企業(yè) 10kV供電系統(tǒng)的可行性分析[J].云南電力技術,2006(3):28-29.

[3]葉 湘,陳守義 .3.3kV供電系統(tǒng)的井下應用 [J].中國煤炭,1998,24(11).

[4]王國法 .高效綜合機械化采煤成套裝備技術 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2008.

[責任編輯:張銀亮]

TD611

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1006-6225(2010)05-0073-03

2010-05-20

李占平 (1978-),男,河南焦作人,工程師,主要從事煤礦供電系統(tǒng)的設計與研究工作。