高壓變頻遠(yuǎn)控技術(shù)在井下設(shè)備地面化中的設(shè)計應(yīng)用

王慶洲，許 濤

（山東兗礦設(shè)計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機采用4 臺10 kV 800 kW 礦用隔爆型三相異步電機作為驅(qū)動電機，采用減速器+液體粘性軟啟動方式。

在實際生產(chǎn)中，時常會因為頻繁啟動、過載啟動導(dǎo)致液粘系統(tǒng)油溫過高，因為采用風(fēng)冷，當(dāng)溫度過高時啟動性能變差。另外由于采用電液控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)及軟啟動裝置時常發(fā)生漏油故障，維護量大。這些問題都會導(dǎo)致液體粘性軟啟動裝置啟動效果變差，甚至造成電機燒毀從而影響生產(chǎn)。

同時因液粘軟啟動電氣故障點較多，每月因各種電氣及傳感器故障影響主運皮帶運行約2 h 以上，且故障多發(fā)于正常生產(chǎn)的中班及夜班，檢修人員到現(xiàn)場處理故障時間較長，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)。目前主運輸送機驅(qū)動處空間狹小，設(shè)備空間占比較大，設(shè)備出現(xiàn)故障時，沒有合適的空間進行運輸。液粘軟啟動及減速器維護量較大，每天檢修時間必須安排專人進行維護保養(yǎng)，定期進行補油換油，材料消耗較大。另外駐外單位人員配備較少，嚴(yán)重制約主運皮帶其他檢修工作。

據(jù)市場調(diào)研，原廠家已不再生產(chǎn)液粘有關(guān)配件，其服務(wù)保障能力降低。

綜合以上分析可以看出，現(xiàn)在的驅(qū)動形式是影響輸送機整機可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，已不能滿足礦井主運輸安全生產(chǎn)的要求。設(shè)計將石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機配電及主控系統(tǒng)移至地面，建設(shè)一座智能型10 kV 開關(guān)站，采用普通型高壓變頻器，實現(xiàn)對井下帶式輸送機在地面直接驅(qū)動供電、遠(yuǎn)程集中控制。

1 改造方案

結(jié)合石拉烏素煤礦現(xiàn)場情況，分別從驅(qū)動改造方案、配電室布置方案、投資費用、施工難度、對礦井安全生產(chǎn)的影響等方面進行了綜合比較。提出4 種改造方案。

方案一：將驅(qū)動電機更換為高壓防爆變頻電機，并安裝其配套的附屬設(shè)備。新建10 kV 地面開關(guān)站一座，作為主運皮帶機配電室，設(shè)置在主井塔5 層（21.3 m）。驅(qū)動電機啟動方式為變頻啟動。自新建10 kV 地面開關(guān)站新敷設(shè)4 回MYJV42-8.7/10 kV-3×70 型電力電纜（每回850 m），經(jīng)主井井筒至主運皮帶通風(fēng)孔，敷設(shè)至皮帶機頭。

方案二：將驅(qū)動電機更換為高壓防爆變頻電機。對皮帶機頭變電所進行擴容改造，安裝4 臺隔爆型10 kV 變頻器，將現(xiàn)有4 臺QJGZ-100/10 磁力啟動器更換為4 臺PJG-10 高壓防爆開關(guān),電力電纜可利用現(xiàn)有的。

方案三：將驅(qū)動電機更換為4 臺3 300 V 防爆變頻電動機。對皮帶機頭變電所進行擴容改造，安裝4 臺KBSG-1600/10/3.45kV 型礦用隔爆干式變壓器，4 臺1 000 kW/3 300 V 隔爆變頻器，將現(xiàn)有磁力啟動器更換為PJG-10 高壓防爆開關(guān)。

方案四：將驅(qū)動電機更換為高壓防爆變頻電機。利用井底車場膠輪車存放硐室作為配電室，選用礦用一般型10 kV 高壓開關(guān)柜及變頻器柜，總電源電纜利用現(xiàn)有的，負(fù)荷電纜采用鉆孔方式敷設(shè)至驅(qū)動電機附近。

方案比選詳見表1。

表1 方案比選表

通過以上對比，方案一具備安全性高、日常維護簡單、開關(guān)站智能化程度高、投資低等優(yōu)點，并且可以優(yōu)化礦井供電系統(tǒng)，實現(xiàn)主運皮帶地面直接驅(qū)動供電、遠(yuǎn)程集中控制，提高礦井主運皮帶的供電可靠性。

2 變頻器的選擇及控制方案

2.1 變頻器的選擇及一次接線

變頻器是產(chǎn)生諧波的根源，變頻器的結(jié)構(gòu)、控制方式和質(zhì)量直接影響輸出波質(zhì)量。 選擇新風(fēng)光電子JD-BP37/38-F 系列高壓變頻器，電壓等級為10 kV。變頻器設(shè)置在地面，故選用非防爆的變頻器。由于變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，帶式輸送機可能處于重載啟動的狀態(tài)，設(shè)計選取大一擋變頻器，即JD-BP37/38-F，1 000 kW 型。

2.2 變頻器控制方案

主回路采取一拖一自動控制方案，對于四機驅(qū)動的皮帶機變頻控制，為有效實現(xiàn)電機的負(fù)載平衡控制，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主-從方式進行控制。采用4 臺1 000 kW 變頻器分別控制4 臺800 kW 高壓電機，如圖1 所示，選用1 號變頻器為主變頻器，2、3、4 號變頻器為從變頻器，由操作臺發(fā)給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間采用ModBus 總線通信，1 號變頻器作為主控，檢測1～4 號電機的運行電流，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制2～4 號從變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運行。

圖1 皮帶機變頻器主從控制簡圖

主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號連鎖控制和狀態(tài)、報警邏輯信號輸出，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機”指令，從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來自主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動”和“緊急停機”指令，同時接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動的“緊急停機”指令。在4 臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC 邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得4 臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時啟動，同時停機。

3 電力電纜的選擇及敷設(shè)

3.1 地面開關(guān)站進線電源電纜的選擇

考慮為了滿足4 臺800 kW 驅(qū)動電機及1 臺200 kVA 所用變壓器運行的供電能力：

1）按允許載流量選擇電纜截面。

試選用MYJV22-8.7/15kV-3×120 電力電纜。

2）按經(jīng)濟電流密度校驗。

3）按電壓損失校驗。

ΔU% =KPL= 0.192 %×3.4×0.3 =0.2 %，滿足要求。

地面開關(guān)站進線電源電纜選用MYJV22-8.7/15kV-3×120 電力電纜，一用一備。

3.2 帶式輸送機驅(qū)動電源電纜的選擇

1）按允許載流量選擇電纜截面。

試選用MYJV42-8.7/15kV-3×50 電力電纜。

2）按經(jīng)濟電流密度校驗：

3）按電壓損失校驗。

ΔU% =KPL= 0.325 %×0.8×0.85 + 0.2 % =0.42%，滿足要求。

根據(jù)以上選型計算， 可選用MYJV42-8.7/15kV-3×50 電力電纜作為帶式輸送機驅(qū)動電機電源電纜，考慮后期帶式輸送機驅(qū)動電機升級及主井筒運行環(huán)境較差，設(shè)計將下井電纜截面升級一規(guī)格，即選用MYJV42-8.7/15kV-3×70 電力電纜作為帶式輸送機驅(qū)動電機電源電纜，沿主井井筒敷設(shè)。

石拉烏素煤礦主井井筒尚有空間敷設(shè)下井電纜。設(shè)計在井筒北側(cè)罐道支撐梁上新增電纜托架，電纜托架間距5 m，采用抱箍固定在罐道支撐梁上。井筒內(nèi)敷設(shè)電纜至主運皮帶通風(fēng)孔，穿過通風(fēng)孔吊掛敷設(shè)至皮帶機頭。

4 帶式輸送機自動化控制

東翼2-2 中膠帶大巷輸送機采用1 套膠帶機綜合保護控制裝置，實現(xiàn)對帶式輸送機及相關(guān)設(shè)備的集中控制。電控系統(tǒng)主要由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱、操作臺和保護系統(tǒng)等組成,能夠可靠的實現(xiàn)膠帶輸送機的起動預(yù)警、停車、緊急停車、故障保護等功能，另外還可控制給煤機與本機之間、本機與前后級設(shè)備之間相互聯(lián)鎖。

輸送機保護系統(tǒng)可實現(xiàn)膠帶輸送機的急停、跑偏、煙霧、堆煤、縱撕、超溫灑水（超溫灑水應(yīng)包含灑水管路及噴頭等）和膠帶機沿線語音通信等功能。系統(tǒng)具有保護屏蔽功能。用戶可以根據(jù)實際需要配備不同的保護傳感器。當(dāng)配備的某臺傳感器本身出現(xiàn)損壞或是其他故障時，而由于生產(chǎn)需要必須開車，此時，被授權(quán)者在輸入密碼后可以選擇暫時屏蔽掉出現(xiàn)問題的那臺保護傳感器，待修復(fù)之后再重新加入進去。本工程保護傳感器為現(xiàn)有設(shè)備。

電控系統(tǒng)通過與變頻器啟動裝置相配合，可實現(xiàn)帶式輸送機軟起動，主機空載起動，從而減少負(fù)載沖擊，提高膠帶壽命。

改造后，井下現(xiàn)場保留操作臺，主井集控室設(shè)置上位機，預(yù)留通訊接口，接入礦井現(xiàn)有機電集控系統(tǒng)。

將皮帶機頭變電所低壓配電開關(guān)更換為帶通訊功能防爆6 組合開關(guān)，可以實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制。

為保障地面和井下通訊的穩(wěn)定性，設(shè)計在主井和副井分別敷設(shè)1 根24 芯GYXTW 鎧裝光纜，主副井之間形成環(huán)網(wǎng)。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

對石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機技術(shù)改造是可以加快安全、高速礦井的建設(shè)速度，該項目實施后可以有效的減少日常作業(yè)流程，降低職工的勞動強度、提高職工的工作效率。

將配電控制系統(tǒng)放置在地面，實現(xiàn)地面直接驅(qū)動供電、遠(yuǎn)程集中控制，可以減少現(xiàn)場操作和巡檢人員4 人。按照井下職工每人每年15 萬元收入計算，一年可為礦井節(jié)約人工成本60 萬元。

項目采用了變頻和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了變頻控制，帶式輸送機以極低轉(zhuǎn)速運行就能滿足運輸要求，其機械、電氣沖擊和機械磨損大大減少，故障率降低，其使用壽命大大提高，系統(tǒng)的綜合節(jié)電率達(dá)到40%以上，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著。

5.2 社會效益

對石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機技術(shù)改造，優(yōu)化礦井供電系統(tǒng)，實現(xiàn)膠帶大巷帶式輸送機地面直接驅(qū)動供電、遠(yuǎn)程集中控制，進一步增強礦井智能化程度，是今后建設(shè)“安全、綠色、智能、高效”四型礦井的必然選擇。

高壓配電設(shè)備安裝在地面，配電室內(nèi)的環(huán)境方便實時監(jiān)控并根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，可以有效的延長設(shè)備壽命，降低日常維護、維修成本。采用變頻啟動后，電機實現(xiàn)了軟啟動，可以在零速零電壓啟動，直到達(dá)到工作電流為止。減少電機啟動對電網(wǎng)的沖擊，提高了礦井供電的可靠性。

5.3 推廣應(yīng)用前景

該方案解決了高壓變頻遠(yuǎn)距離控制技術(shù)在井下機電設(shè)備地面化中的應(yīng)用問題，實現(xiàn)膠帶大巷帶式輸送機地面直接驅(qū)動供電、遠(yuǎn)程集中控制，進一步增強礦井智能化程度應(yīng)用前景廣泛。

6 結(jié) 語

將高壓變頻遠(yuǎn)距離控制技術(shù)應(yīng)用在井下機電設(shè)備地面化項目中，通過實施井下機電設(shè)備地面化改造，可以取消機頭配電點高壓配電裝置，優(yōu)化礦井供電系統(tǒng)，實現(xiàn)主驅(qū)動電機地面直接驅(qū)動供電、遠(yuǎn)程集中控制，提高礦井自動化程度,減少井下現(xiàn)場操作和巡檢人員。