采煤工作面遠距離供電系統(tǒng)的設計與應用

夏樹磊

（晉能集團大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

決定采煤工作面高產(chǎn)高效的因素不僅包括設備技術的先進性、功能的合理性，還與供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性密不可分[1-4]。隨著我國現(xiàn)代化建設速度的提高，煤炭需求量與日俱增，大型礦井越來越多，為了保證采煤工作面自動化設備的正常運行，必須配套對應的供電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的采煤工作面的供電采用大型設備實現(xiàn)，但受到地質條件或者采煤工作面空間等條件限制，使用過程中會對采煤工作帶來一些安全隱患[5-6]，因此本文擬設計遠距離供電系統(tǒng)為采煤工作面供電，確保采煤工作面工作的順利開展。

1 采煤工作面介紹及存在的問題

某自動化采煤工作面，采長為240 m，采高為1.7～2.5 m，其煤層厚度存在較大的變化。地質條件較為復雜多變，使煤層頂板承受巨大的壓力，尤其是采空區(qū)的頂板在壓力作用下出現(xiàn)了較大起伏，底鼓嚴重，落差已經(jīng)接近50 m，占用了巷道空間。繼續(xù)采用大型供電設備為其供電就會帶來以下問題：第一是巷道空間減小使大型供電設備的拉移較困難，且大型設備體積龐大，拉移過程較危險，極易出現(xiàn)人員的傷亡、設備側翻等安全事故；第二是大型供電設備需要許多輔助設備和系統(tǒng)，在拉移或者檢修過程中的工作量較大，并且井下工作環(huán)境惡劣，無形中給運維人員增加了工作量；第三是大型供電設備拉移過程中經(jīng)常會遇到巷道變窄或者變形等問題難以順利通過，需要進行起底、擴幫等工作，不僅會增加工作人員的工作量，還會提高采煤工作面的運行成本。因此為了徹底解決上述采煤工作面所面臨的具體問題，需要徹底顛覆傳統(tǒng)采煤工作面大型供電設備的應用模式，采用遠距離供電，以此提高企業(yè)采煤工作面的生產(chǎn)效率。

2 遠距離供電系統(tǒng)的設計

采煤工作面對供電系統(tǒng)的要求較高，包括電壓的穩(wěn)定、供電的保護、電流整定等，確保整個供電系統(tǒng)應用的安全可靠。還要嚴格控制供電線路的電壓損失，嚴禁超出供電網(wǎng)絡允許范圍，同時電機的工作電壓、電纜的壓降損失等必須滿足規(guī)定要求，才能保證整個采煤工作面的正常運行。

2.1 供電系統(tǒng)總體方案

采煤工作面所用的10 kV 電源由配電室引出，之后連接4 個高壓開關，開關額定電流為200 A，然后由MYPTJ-3×70 mm2高壓電纜將電力輸送至轉運列車、輸送機等設備的配電室。

無軌自移設備列車處于采煤工作面的輔助進風順槽中1.7 km 的位置，包含列車12 輛，分別由1 號、2 號移動變電站為其供電；刮板機的供電由位于輔助進風返頭位置的3 號移動變電站完成，5 號和6 號移動變電站為乳化液泵站提供電力；7 號、8 號、9 號移動變電站設置在進風口皮帶機頭位置，完成皮帶機以及進、回風水泵、絞車等的供電；將4 號移動變電站設置在巷道交界處為注漿泵供電。采煤工作面供電原理如下頁圖1 所示，其中1 號高壓電纜主要完成1 號、2 號移動變電站的供電，輸出3 300 V 電壓供給采煤機、轉載機、破碎機需要的電力需求；2 號高壓電纜主要完成3 號移動變電站的供電，輸出3 300 V 電壓供給工作刮板機所需的電力需求；3 號高壓電纜主要完成4 號、5 號、6 號移動變電站的供電，輸出1 140 V 電壓供給乳化液泵、噴霧泵、注漿站等所需的電力需求；4 號高壓電纜主要完成7 號、8 號、9 號移動變電站的供電，輸出1 140 V 和660 V 電壓供給輸送機、進風、回風、輔助進風等所需的電力需求。

2.2 變壓器的選擇

圖1 采煤工作面供電原理

遠距離供電系統(tǒng)中涉及多個變壓器，選擇變壓器的主要參數(shù)是容量大小，結合變壓器的工作電壓和工作容量完成變壓器型號的選擇。刮板機變壓器的工作電壓為3 300 V，考慮遠距離供電的質量和工作刮板機的用電容量需求，選擇變壓器的型號為KBSGZY-3150/10/3.3，編號為2 號；乳化液泵變壓器的工作電壓為1 200 V，選擇變壓器的型號為KBSGZY-800/10/1.2，編號為3 號；乳化液泵、噴霧泵、注水泵變壓器工作電壓為1 200 V，選擇變壓器的型號為KBSGZY-800/10/1.2，編號為5 號。

2.3 刮板機電機控制裝置的選擇

刮板機的驅動采取雙電機模式，分別位于機頭和機尾，單個電機的功率為700 kW，最遠供電距離為2 100 m，傳統(tǒng)直起開關瞬間閉合電流大約為1 200 A，不利于整定保護，同時遠距離供電電路存在壓降損失，會出現(xiàn)電機啟動力矩瞬間不足的問題，因此設計中采用變頻器取代傳統(tǒng)開關對電機電路進行控制。變頻器啟動屬于軟啟動，啟動過程平順、沖擊電流低、電壓波動小，能夠有效保護電機及其相鄰電路的安全。變頻器能夠與通信網(wǎng)絡進行連接，達到電機自動控制的目的，通過調整電機頻率實現(xiàn)電機速度的調整功能。變頻調速系統(tǒng)構成如圖2 所示。

圖2 變頻調速系統(tǒng)構成

遠距離供電系統(tǒng)中的刮板機變頻器選擇型號為BPJV-3×1250/3.3，即礦用隔爆本質安全型高壓組合變頻器，輸出端的電壓輸送距離大于2 km，設置三個輸出端口，各路滿足不大于1 250 V 電壓下的電機調速控制。該變頻器具有啟動轉矩大、啟動平滑、自動化程度高、外形尺寸小、數(shù)據(jù)存儲量大等特點，很好滿足了采煤工作面遠距離供電的要求。

2.4 電纜的選擇

電纜的選擇主要考慮電纜所承受的工作電壓及其電纜使用環(huán)境情況，首先根據(jù)遠距離供電系統(tǒng)中電纜使用條件不同，確定各部分電纜的型號如下：系統(tǒng)中的低壓固定敷設電纜采用鎧裝電纜或者滿足使用電壓要求的橡套軟電纜；采煤作業(yè)中的手持電動工具的供電采用滿足要求的橡套電纜；遠程供電系統(tǒng)中3 300 V、1 140 V 和660 V 采煤設備的供電電纜選用具有分相屏蔽功能的橡套絕緣電纜；供電系統(tǒng)中涉及照明、通信、控制功能的電纜采用鎧裝電纜或者橡套電纜，低壓用輸電線路使用銅芯型。布線過程中的電纜長度設計應該遵循以下原則：固定敷設的橡套電纜的設計長度要比敷設巷道長度多預留10%；采煤工作面內(nèi)移動設備供電線纜長度需要預留3～5 m；如果電纜中央存在接頭，需要在接頭兩側各預留3 m。電纜設計過程中截面尺寸的選擇原則如下：高壓電纜使用過程中的電損不大，未進行具體的設計分析，主要針對距離較遠、容量較大電動機用電纜，必須考慮電動機的持續(xù)運行電流或者運行時允許的壓降損失。

3 遠距離供電系統(tǒng)的應用分析

為了驗證遠距離供電系統(tǒng)的應用效果，對其應用狀況進行了檢測，結果如下：采煤工作面處于空載狀態(tài)時檢測得到移動變壓器出口電壓為3 400 V，工作面配電位置的電壓為3 400 V；在采煤工作面供電系統(tǒng)供電過程中采煤機工作電壓值為3 360 V，正常運行壓降為△Uz=88 V，啟動瞬時壓降為△Uq=324 V；運輸機工作電壓為3 340 V，正常運行壓降為△Uz=101 V，啟動瞬時壓降為△Uq=188 V。經(jīng)檢測供電系統(tǒng)各個指標均能滿足設備規(guī)定的要求，可見遠程供電系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足采煤工作面的供電需求。采煤工作面遠距離供電系統(tǒng)的設計和應用，徹底改變了傳統(tǒng)大型供電設備為采煤工作面供電的現(xiàn)狀，降低了設備運維人員的勞動強度，保證了工作的安全性，同時遠距離供電系統(tǒng)的應用大大降低了采煤工作面建設對地質條件的要求，提高了采煤工作面的適應能力，減少了設備維護時間，有利于采煤工作的安全高效推進。

4 結語

遠距離供電系統(tǒng)能夠滿足采煤工作面的電力需求，降低了設備運行維護的勞動強度，提高了采煤工作面工作的安全性，對推動我國采煤工作高產(chǎn)高效運行意義重大。