煤層開采交流供電系統(tǒng)重要設(shè)備的選型研究

梁 晉

（同煤集團煤峪口礦， 山西 大同 037000）

1 煤礦供電系統(tǒng)概述

煤礦供電系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：礦井地面變電所、井下中央變電所、采區(qū)變電所和工作面配電點。外部電網(wǎng)將110 kV的高壓電輸送到礦井地面變電所，在變電所內(nèi)完成降壓，將高壓電降至10 kV，并通過高壓電纜輸送到井下中央變電所。井下中央變電所是煤層開采供電的總電源和中間樞紐，將10kV高壓電進行降壓至1 140 V，一部分為其附近的用電負載供電，另一部分輸送至采區(qū)變電所。采區(qū)變電所位于工作面旁，能夠?qū)? 140 V電壓降至380 V，為工作面配電點供電，也可以直接將1 140 V高壓輸送至工作面的移動變電站，由移動變電站進行降壓，為綜采工作面用電負載供電，這樣可以減小輸電時的電能損失。工作面配電點是電力系統(tǒng)的末端，位于工作面50～70 m處，是用電負載的聚集處。

由于井下條件復(fù)雜，并且含有可燃爆炸氣體，因此供電系統(tǒng)的保護是必不可少的[1]。井下的保護主要有以下三類：

1）過流保護。用電設(shè)備的電流過大會導(dǎo)致絕緣材料的老化，降低設(shè)備使用壽命，嚴重時可能造成短路，短路電流瞬時值會達到上千安培，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會對用電設(shè)備造成巨大破壞，因此需要設(shè)置過流保護裝置。

2）漏電保護。由于井下空間狹小，電纜容易受到碰撞，外皮可能會發(fā)生破損，產(chǎn)生漏電，會危及作業(yè)人員，甚至會引起瓦斯爆炸。為了防止此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須安裝漏電保護裝置，并且要定期對電纜進行檢查，及時排除安全隱患。

3）接地保護。機電設(shè)備的外殼若沒有接地，與內(nèi)部電纜接觸后可能會使外殼帶電，可能會造成觸電事故，因此井下所有電力設(shè)備都要進行接地保護，且接地電阻值不能超過規(guī)范要求。

2 煤層開采用電負荷的統(tǒng)計

本文以同煤某礦大采高綜采工作面為例研究煤層開采交流供電系統(tǒng)。用電負荷統(tǒng)計是設(shè)計煤層開采供電系統(tǒng)的前期重要工作，是變壓器等設(shè)備的選型依據(jù)，是后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計工作的基礎(chǔ)[2]。目前用電負荷主要的統(tǒng)計方法有二項式法和需用系數(shù)法兩種，前者模型復(fù)雜，計算量大，使用較少，而后者得到了廣泛的應(yīng)用。需用系數(shù)是指用電設(shè)備組長時間工作時的平均功率與負荷組總?cè)萘康谋戎?，需用系?shù)法的關(guān)鍵是使用數(shù)理統(tǒng)計確定各用電設(shè)備組的需用系數(shù)，計算公式如式（1）：

式中：KX為設(shè)備組需用系數(shù)；Kai為不同用電負荷間的同時系數(shù)，采用式（2）計算；Kl0為設(shè)備組的輸出系數(shù)，采用式（3）計算；η為設(shè)備組中用電負荷同時工作的平均效率，采用式（4）計算；η1為電纜輸送效率，一般取 0.95～0.98。

式中:∑Pai為同時工作用電負荷的容量之和；∑PN為設(shè)備組總的額定容量之和；∑PaiS為設(shè)備組中實際同時輸出功率之和；ηai為各設(shè)備的用電效率。

采用這種計算方法可以計算出各設(shè)備組的需用系數(shù)，但計算較為復(fù)雜。由于煤層開采時的設(shè)備基本相同，在大采高綜采工作面采用的設(shè)備大同小異，工程上經(jīng)常使用經(jīng)驗值進行需用系數(shù)的確定，如下頁表1所示。

確定設(shè)備組的需用系數(shù)之后，與所有用電設(shè)備的額定功率之和相乘，即可得到用電設(shè)備組長時間運行的最大有功功率，它是后續(xù)進行設(shè)備選型的重要參數(shù)。

表1 煤層開采用電設(shè)備組的經(jīng)驗需用系數(shù)

3 重要設(shè)備選型的計算

3.1 變壓器容量的計算

變壓器額定容量的選擇非常重要，選擇過大會增加設(shè)備投資，浪費成本，其空載損耗也會隨著變壓器容量的增大而增大，造成能源浪費；選擇過小也不利于工作面擴大生產(chǎn)，還可能由于容量不夠發(fā)生過負荷破壞。因此考慮到未來生產(chǎn)規(guī)模的擴大和自身的功率損耗，變壓器容量選擇時負荷率在70%～85%較為理想。

3.2 電纜選型的計算

在煤層開采的工作面電纜以低壓電纜為主，因此主要討論低壓電纜的選型要求。

3.2.1 滿足長時載流量要求

電纜的載流量主要與電纜的截面積有關(guān)，電纜的截面積越大，允許長時間通過的電流越大，但兩者并不成線性關(guān)系，還要考慮電纜散熱問題等其他因素。如果電纜的長時載流量超過其允許載流量，會加快電纜絕緣層的老化，引起相間短路。電纜長時工作載流量的計算公式為：

式中：KX為由電纜供電的設(shè)備負荷需用系數(shù)；∑PN為用電設(shè)備的額定容量之和；UN為用電設(shè)備的額定電壓；cosΦpj為所有用電設(shè)備的加權(quán)平均功率因數(shù)；ηpj為所有用電設(shè)備的加權(quán)平均效率。

從電纜標準規(guī)范中可以查到不同截面積，不同材質(zhì)的電纜在25℃時的最大允許長時載流量IP。由于井下環(huán)境溫度與標準溫度不符，因此在計算電纜長時載流量時還要考慮溫度的影響，引入溫度修正系數(shù)Kt來修正電纜允許長時載流量I'P：

溫度修正系數(shù)Kt的數(shù)值見表2。

電纜允許長時載流量I'P應(yīng)大于等于計算得出的電纜長時工作電流Ica。

表2 溫度修正系數(shù)Kt的取值

3.2.2 滿足機械強度要求

在工作面敷設(shè)的電纜需要隨著工作面的推進進行拖拽，有時還會受到片幫的壓砸或是其他的外力作用，電纜的機械強度不夠，容易使電纜被拉斷，造成供電故障，因此在選型時需要對電纜的機械強度進行校核，不同井下機電設(shè)備所需滿足的電纜最小截面積如表3所示。

表3 不同設(shè)備允許使用電纜的最小截面積

在必要時還可以選擇鎧裝電纜以保證電纜的機械強度。

以某礦為例，綜采工作面的需用系數(shù)取0.65，負荷經(jīng)統(tǒng)計后，總的負荷為255.9 kVA。首先確定變壓器容量，查詢變壓器型號對照表，選擇315 kVA容量的變壓器較為合適，此時負荷率為81.24%，有一定富裕度又不會造成經(jīng)濟浪費。然后進行低壓電纜的選擇，代入式（5）進行計算，長時載流量為198 A，查詢電纜最大允許長時載流量并進行溫度系數(shù)修正，70 mm2電纜在30℃下的最大允許載流量為202 A，大于正常工作時的長時載流量，且超過采煤機電纜最小截面積，可以滿足使用要求。至此，變壓器和低壓電纜兩種重要的設(shè)備選型完成。

4 結(jié)論

井下供電系統(tǒng)必須滿足生產(chǎn)需要，其運行狀態(tài)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。供電系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運行是煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，是煤層開采機械化、智能化的重要保障，其前提條件是設(shè)計合理的煤礦供電系統(tǒng)。