試論煤礦井下供電節(jié)能線路設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

李紅兵

（山西晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣潤(rùn)東煤業(yè)有限公司，山西晉城 048100）

0 前言

煤礦行業(yè)井下作業(yè)會(huì)受多方面因素的影響，如惡劣的作業(yè)條件和環(huán)境等，常存在較大安全隱患，加上電力需求的劇增，對(duì)井下供電線路的設(shè)計(jì)和設(shè)備質(zhì)量都提出了更高的要求。因此，為降低井下供電系統(tǒng)的耗能、提高供電的安全可靠性，還應(yīng)加大煤礦井下供電節(jié)能線路設(shè)計(jì)及設(shè)備選型研究力度。

1 煤礦井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦井下供電系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，根據(jù)井下深度的不同又有高壓和低壓兩種供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由煤礦地面變電所的相關(guān)配電裝置、變壓器和供電線路通過電纜把電力傳送到井下中央變電所或采區(qū)變電所，并經(jīng)過變配電點(diǎn)，整個(gè)電力輸送過程便會(huì)形成供電網(wǎng)，也即供電系統(tǒng)[1]。其涉及的供電線路十分復(fù)雜、作業(yè)設(shè)備種類較多，如變壓器、配電箱、傳感器、斷電器、保護(hù)接地裝置、組合開關(guān)、防爆運(yùn)輸機(jī)車、通風(fēng)機(jī)等等，若井下供電不足或停電停風(fēng)，則有可能使瓦斯積聚進(jìn)而引發(fā)瓦斯和煤塵爆炸等重大安全事故。而系統(tǒng)運(yùn)行過程中常需要多臺(tái)設(shè)備同時(shí)啟停，產(chǎn)生的負(fù)荷極大，這便需要一個(gè)更加完善的供電系統(tǒng)支撐電力資源的傳輸與應(yīng)用。

1.2 供電特點(diǎn)

煤礦行業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多而雜，是耗能較多的行業(yè)之一。并且井下作業(yè)環(huán)境較差，供電線路設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)備負(fù)載率大，加上內(nèi)部和作業(yè)空氣中會(huì)有一定的易燃材料和物質(zhì)，進(jìn)而容易給井下供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)較大沖擊，也會(huì)加大供電設(shè)備和線路運(yùn)行的損耗和安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)漏電、起火、爆炸等安全事故，威脅著井下作業(yè)人員的生命安全。這便使得煤礦井下供電具有安全隱患高、設(shè)備損耗相對(duì)較大、受地質(zhì)和環(huán)境多種因素影響大等特點(diǎn)。因此，為降低電能損耗，實(shí)現(xiàn)井下供電的節(jié)能環(huán)保，對(duì)供電節(jié)能線路的設(shè)計(jì)要求非常高，且要配備與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和作業(yè)需求相適應(yīng)的供電設(shè)備來(lái)滿足井下電能運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

2 煤礦井下供電節(jié)能線路設(shè)計(jì)探究

煤礦井下作業(yè)過程復(fù)雜且煩瑣，電能消耗很高，其成本在煤礦行業(yè)總生產(chǎn)成本中占比也較大。因此，節(jié)能是目前煤礦行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)和手段。這便需要煤礦行業(yè)不斷優(yōu)化井下供電節(jié)能線路的設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)符合國(guó)家節(jié)能相關(guān)的法律法規(guī)、政策以及供電線路設(shè)計(jì)要求，在提高線路運(yùn)行可靠性和效率的同時(shí)，減少線路產(chǎn)生的損耗，也為企業(yè)降低生產(chǎn)成本。

2.1 自動(dòng)化供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)煤礦井下供電系統(tǒng)常用的是深井和淺井兩種。但無(wú)論何種，還應(yīng)利用現(xiàn)代化的高效技術(shù)來(lái)完善系統(tǒng)，打造自動(dòng)化的節(jié)能的供電系統(tǒng)，為井下作業(yè)提供充足照明以及長(zhǎng)時(shí)間的電源支持，避免出現(xiàn)設(shè)備突然停運(yùn)而引發(fā)電力故障的情況，所以在提高供電質(zhì)量的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)施工人員的安全保障。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先可以從其主要的功能模塊入手：①可以結(jié)合電子機(jī)械間的空間關(guān)系建立能量系統(tǒng)，對(duì)電纜長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)生成系統(tǒng)圖。其中需要運(yùn)用機(jī)電設(shè)備的數(shù)量及其三維空間坐標(biāo)、電纜實(shí)體中間點(diǎn)的坐標(biāo)及數(shù)量等變量進(jìn)行計(jì)算。②根據(jù)圖形信息和系統(tǒng)供電參數(shù)來(lái)計(jì)算線路和設(shè)備的電力損耗，并且會(huì)通過改變當(dāng)下的圖形信息促進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)變化，減少電流損耗。③會(huì)形成一個(gè)設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，容納井下繪圖設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、地面設(shè)備計(jì)算、電纜繪制、設(shè)計(jì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)等方面的數(shù)據(jù)圖形信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)計(jì)和管理的功能。其次，選用新型節(jié)能的系統(tǒng)設(shè)備，尤其是變壓器和電動(dòng)機(jī)，在確保容量合適的基礎(chǔ)上，選擇固有損耗低的變壓器和電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到降損的目的。同時(shí)可根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度適當(dāng)減少電動(dòng)機(jī)容量，以提高其自然功率因素。具體選型見下文。最后，還要優(yōu)化煤礦井下和地面自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合作業(yè)需要設(shè)置有效的操作指令來(lái)控制相關(guān)供電端口的運(yùn)行，從而及時(shí)調(diào)節(jié)供電需求。

2.2 供電節(jié)能線路的設(shè)計(jì)

煤礦井下供電系統(tǒng)主要通過設(shè)計(jì)多組回路來(lái)構(gòu)建供電網(wǎng)絡(luò)的架線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙供電回路的持續(xù)電力供給。但由于這種架線技術(shù)工藝和流程比較繁雜，不僅影響著供電系統(tǒng)和電流傳輸?shù)陌踩?，還會(huì)產(chǎn)生極大的能源損耗。因此，在優(yōu)化井下供電節(jié)能線路設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員要從井下中央變電所或采區(qū)變電所的供電線路入手，秉持降低供電線路損耗的原則，有效節(jié)省線路運(yùn)行中的電能，以踐行我國(guó)節(jié)能政策的理念，提高資源能源的利用率。

首先，選用智能化的開關(guān)裝置，以便可以及時(shí)對(duì)設(shè)備安全故障或耗能情況進(jìn)行攔截阻止，如ZNCK-2A 高壓開關(guān)智能測(cè)控保護(hù)器測(cè)試系統(tǒng)等。同時(shí)，做好開關(guān)裝置保護(hù)工作。了解井下各供電開關(guān)設(shè)備的作用，并將其進(jìn)行分類，例如對(duì)于出線開關(guān)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)來(lái)加強(qiáng)線路的安全，進(jìn)線開關(guān)則無(wú)需設(shè)置。還有直配負(fù)荷開關(guān)，它只通過較短的電纜便可接觸到高壓設(shè)備，因而也需要設(shè)置保護(hù)，對(duì)于將分隔單母線的分段開關(guān)則不用設(shè)置保護(hù)。

其次，優(yōu)化井下中央變電所供電節(jié)能線路設(shè)計(jì)。①減少線路電阻。選用電阻率偏小的導(dǎo)線，降低線路電阻值，并根據(jù)施工要求縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度，以免加大電阻。在敷設(shè)導(dǎo)線時(shí)應(yīng)盡可能保持直線狀態(tài)。②堅(jiān)持供電備用節(jié)能線路和主線路平行設(shè)計(jì)的原則，在線路輸入端口設(shè)計(jì)一個(gè)斷路診斷裝置，當(dāng)出現(xiàn)斷路情況時(shí)，該裝置便會(huì)向備用節(jié)能線路系統(tǒng)反饋斷路信號(hào)，此時(shí)便會(huì)即刻閉合進(jìn)線開關(guān)，并啟動(dòng)備用電源實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。③有效降低供電線路的損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇娋€路的建設(shè)與分布等實(shí)際情況采取就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合的方式。

最后，優(yōu)化采區(qū)變電所供電節(jié)能線路設(shè)計(jì)。在線路的選用上也需參照文章上述的要求。如可應(yīng)用10V 高壓輸電線路，工作面配電點(diǎn)使用660V 和1140V 低壓輸電線路。在同時(shí)注意敷設(shè)方式，并盡量避免出現(xiàn)“走回頭路”的現(xiàn)象，以提高線路輸電的效率。供配電線路可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度來(lái)選擇合理大小的導(dǎo)線截面，使井下巷道空間愈加暢通、減少電氣設(shè)備列車。并且可以采用工作面配電點(diǎn)直流供電的方式，將多個(gè)用電設(shè)備與供電網(wǎng)絡(luò)建立柔性連接，當(dāng)負(fù)荷處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，便可將電能直接反饋到電網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直流輸電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和節(jié)能的效果，促進(jìn)供電系統(tǒng)的增容升級(jí)[2]。在低壓配電中，可實(shí)施季節(jié)性負(fù)荷的用戶接入方案，如可將其作為山區(qū)等地常年使用的供電線路，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3 煤礦井下供電節(jié)能設(shè)備選型探究

煤礦地面供電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可為井下作業(yè)人員提供安全保障。但有些地區(qū)煤礦井下供電設(shè)備比較落后和陳舊，無(wú)法滿足供電系統(tǒng)運(yùn)行的需要，進(jìn)而時(shí)常在電力運(yùn)輸過程中造成較大的電力消耗。因此，為進(jìn)一步提高煤礦井下供電的節(jié)能效果，還應(yīng)做好節(jié)能設(shè)備的選型工作。目前，我國(guó)煤礦的電氣設(shè)備主要有一般型和礦用防爆型兩類。如真空配電系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用PBG1-10 防爆、隔爆型裝置等。在煤礦井下供電節(jié)能設(shè)備的選型上，工作人員要掌握當(dāng)?shù)孛旱V井下作業(yè)環(huán)境、地質(zhì)地勢(shì)等狀況，淘汰現(xiàn)有耗能大的老舊設(shè)備，采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，避免出現(xiàn)過載情況，并充分考慮排水、通風(fēng)、井下和地面運(yùn)輸、提升、供電等方面設(shè)備的選型和應(yīng)用。

①選用材質(zhì)好、性能先進(jìn)、低能耗、容量合適的變壓器。例如選用由非晶合金材料制造的S15 型變壓器，它不僅具有抗震、效率高等性能，還可有效降低負(fù)載和電力損耗并減少資源浪費(fèi)。②選用節(jié)能提升設(shè)備。根據(jù)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要選擇型號(hào)適用的傳輸皮帶、減速器、發(fā)電機(jī)、變頻器等裝置，如DTL100 型皮帶、ZSY500-50 型減速器、功率 2×160kW 電壓 380V 的發(fā)電機(jī)等，有效降低提升過程產(chǎn)生的電力消耗[3]。③優(yōu)化通風(fēng)設(shè)備，選擇科學(xué)合理的巷道斷面，結(jié)合供電線路設(shè)計(jì)最大程度上減少斷面彎道和變化，從而有效降低井巷阻力和通風(fēng)設(shè)備的損耗，達(dá)到節(jié)約風(fēng)能、電能資源的效用。④選用主排水泵節(jié)能設(shè)備。如設(shè)置三臺(tái)型號(hào)為MD280-43×5 的多級(jí)離心泵，分別用來(lái)作業(yè)、檢修、備用。需注意同一設(shè)備組中所有裝置型號(hào)要相匹配。⑤全面實(shí)行綠色照明。在確定煤礦井下供電電壓等級(jí)的基礎(chǔ)上選擇合適的照明節(jié)能設(shè)備。井下和地面均使用高效的節(jié)能照明燈具，無(wú)需長(zhǎng)期照明的地方則可使用定時(shí)照明設(shè)備或光電控制設(shè)備，應(yīng)用于煤礦井下巷道、采掘工作面中等等，以減少電力消耗。如井下礦用防爆燈可采用127V 的MB14-21/127 型礦用節(jié)能熒光燈進(jìn)行照明；廠房、車間等地方可選擇高壓鈉燈等帶有電子觸發(fā)器的氣體放電設(shè)備。在一些用電設(shè)備的選型上，要選擇無(wú)功損耗低、自然功率因素高的設(shè)備，如同步電動(dòng)機(jī)等。此外，工作人員還要做好煤礦井下供電設(shè)備的“三大保護(hù)”工作，即漏電保護(hù)、過流保護(hù)、接地保護(hù)，避免出現(xiàn)設(shè)備故障而影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以提高井下電力傳輸和使用的安全可靠性能，有效減少電流消耗。

4 總結(jié)

在現(xiàn)代化進(jìn)程發(fā)展中，我國(guó)大力倡導(dǎo)朝著節(jié)能友好型社會(huì)發(fā)展。因此，為順應(yīng)社會(huì)發(fā)展潮流，煤礦行業(yè)還應(yīng)不斷完善井下供電系統(tǒng)，優(yōu)化井下供電節(jié)能線路的設(shè)計(jì)，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐伦鳂I(yè)環(huán)境以及作業(yè)要求選擇適合的供電節(jié)能設(shè)備，從而有效降低線路和設(shè)備損耗，提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。