雙柳煤礦工作面供電系統(tǒng)的設(shè)計

白偉偉

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司 雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

0 引 言

隨著我國煤炭開采技術(shù)的逐漸提高，煤礦中使用的機電設(shè)備越來越先進，煤礦的開采效率也越來越高，對煤礦開采裝備運行穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。裝備運行可靠性不僅與自身性能存在緊密關(guān)系，與供電系統(tǒng)穩(wěn)定性也存在很大關(guān)聯(lián)。本文以雙柳煤礦33（4）20 工作面為例，在對井下主要用電裝備進行分析的基礎(chǔ)上，對供電系統(tǒng)進行科學(xué)合理的設(shè)計，保障礦井工作面正常運行。

1 煤礦工作面主要用電裝備概述

1.1 工作面設(shè)備

雙柳煤礦33（4）20 工作面主要用電裝備為采煤機和刮板輸送機，型號分別為7LS6C 和SGZ1000/3000，額定裝機功率分別為2 345 kW 和3×1 000 kW，額定電壓均為3.3 kV。工作面配套有3 臺額定電壓均為660 V 的水泵，其中2 臺功率為45 kW，1 臺功率為18.5 kW。

1.2 順槽設(shè)備

破碎機為SZZ1350/525，轉(zhuǎn)載機為PCM525，額定功率和額定電壓均為525 kW 和3.3 kV。乳化液泵站中使用4 臺乳化液泵，額定功率和電壓分別為280 kW 和1 140 V，噴霧泵站中使用3 臺噴霧泵，額定功率和電壓分別為160 kW 和1 140 V。設(shè)備列車部位使用2 臺雙速絞車，型號為JH-30，單臺絞車的額定功率和電壓分別為45 kW 和660 V。

2 移動變電站及變壓器的選型

2.1 移動變電站數(shù)量

利用盤區(qū)10 kV 電源對工作面中的機電裝備及照明設(shè)施進行供電。根據(jù)上文分析，工作面用電裝備的額定電壓主要有3 個等級，分別為3.3 kV、1 140 V、和660 V；照明及保護控制裝置使用的電壓為127 V。設(shè)備列車布置在順槽皮帶巷中，距離工作面200 m，將移動變電站及用電設(shè)施的控制開關(guān)設(shè)置在設(shè)備列車上。為了保障井下用電安全的同時降低移動變電站數(shù)量，刮板機單獨使用1 臺移動變電站，采煤機、破碎機、轉(zhuǎn)載機共用1 臺移動變電站，乳化液泵站和噴霧泵站共用1 臺移動變電站，其他裝備使用1 臺移動變電站，如圖1 所示。

圖1 煤礦工作面移動變電站設(shè)計Fig.1 Design of mobile substation in coal mine working face

2.2 變壓器選型

移動變電站中使用的變壓器容量按下式計算：

式中：Pε為移動變電站供應(yīng)的機電裝備功率；φp為所有設(shè)備的功率因素平均值，此次設(shè)計所有設(shè)備的功率因素全部取0.85；Kx為需用系數(shù)；Pmax為所有設(shè)備中的功率最大值。

根據(jù)上述計算方法，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式進行計算，可以得到對應(yīng)變壓器的視在功率Sb分別為3 529.41、3 254.56、1 543.53、170.48 kVA。根據(jù)以上計算結(jié)果，確定移動變電站變壓器型號分別為KBSGZY-4000/10/3.45、KBSGZY-4000/10/3.45、KBSGZY-2000/10/1.2、KBSGZY-315/10/0.69，對應(yīng)的視在功率分別為4 000、4 000、2 000、315 kVA，均大于對應(yīng)的理論計算結(jié)果，能夠滿足礦井實際工作需要。

3 煤礦工作面供電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 供電系統(tǒng)圖設(shè)計

根據(jù)雙柳煤礦33（4）20 工作面實際情況設(shè)計的工作面供電系統(tǒng)整體方案如圖2 所示。

由圖2 可知，為了確保井下工作面供電系統(tǒng)運行的可靠性，在盤區(qū)變電所兩段母線上分別接入兩根進線，兩路進線分別接入1 號移動變電站和2 號移動變電站。1 號和2 號移動變電站采用分列運行方式，通過1 號組合開關(guān)進行連接。正常情況下，組合開關(guān)處于斷開狀態(tài)，2 個移動變電站分別工作，特殊情況下組合開關(guān)閉合，確保主要采煤設(shè)備的正常工作。刮板輸送機采用三用一備，采煤機采用一用一備，轉(zhuǎn)載機和破碎機采用兩用一備，乳化液泵站和噴霧泵站分別采用四用一備和三用一備。

圖2 煤礦工作面供電系統(tǒng)整體方案Fig.2 Overall scheme of power supply system of coal mine working face

3.2 高壓電纜選擇

1 號高壓電纜的電壓為10 kV，長度為5 470 m，用電設(shè)備功率為3 000 kW。根據(jù)允許持續(xù)電流確定電纜截面，電流Igmax==203.78 A，基于此確定的1 號電纜型號為MYPTJ 3×95+3×35/3+3×2.5，該型號電纜允許的長時供電電流為250 A，能夠滿足實際需要。高壓電纜的電阻系數(shù)R0 和阻抗系數(shù)X0 分別為0.221 Ω/km 和0.08 Ω/km，根據(jù)下式可以計算1 號線路電壓的損失情況為△U=(R0+X0×tanφ)=444.05 V，小于供電電壓的5%，滿足要求。

同上所述計算2 號高壓電纜的持續(xù)電流值為240.06 A，選擇的電纜型號為MYPTJ 3×150+3×35/3+3×2.5，該型號電纜允許的長時供電電流為320 A，能夠滿足實際需要。電壓的損失量為366.51 V，小于供電電壓的5%，滿足要求。

同理可以計算3 號和4 號電纜的持續(xù)電流值分別為97.73 A 和9.84 A，據(jù)此選擇的電纜型號分別為MYPTJ 3×50+3×16/3+3×2.5 和MYPTJ 3×25+3×16/3+3×2.5，允許的長時供電電流分別為170 A 和110 A，對電壓損失量進行驗算，均能滿足要求。

3.3 低壓電纜選擇

低壓側(cè)電纜的選擇設(shè)計方法與高壓電纜基本相同。首先對允許持續(xù)電流進行計算，根據(jù)電流值確定電纜型號，再對電纜的電壓損失量進行驗證，確保電壓損失不超過輸送電壓的5%。此次低壓側(cè)電纜電流及選擇的型號見表1 統(tǒng)計情況，表中電纜編號如圖2 所示。

表1 低壓側(cè)電纜的電流及型號統(tǒng)計情況Table 1 Current and model statistics of lowvoltage side cable

3.4 低壓組合開關(guān)選擇

在選擇低壓組合開關(guān)時，最基本的原則是其額定電流大于實際的工作電流，為了實現(xiàn)井下供電系統(tǒng)的安全，選擇的低壓組合開關(guān)應(yīng)具備有過電壓、短路、漏電、閉鎖等保護功能。根據(jù)雙柳煤礦實際情況，需要3.3 kV 和1 140 V 兩種組合開關(guān)，兩種類型開關(guān)各為9 個回路。

（1）3.3 kV 組合開關(guān)。輸入方式采用電纜連接器AFA 33A 500A/3300V，輸出方式中有7 套43SB 500A/3300V 和2 套43SB 630A/3300V。隔離換向裝置選用德國ODU 公司生產(chǎn)的裝置，其中7路500 A 和2 路630 A。

（2）1 140 V 組合開關(guān)。輸入方式中采用的電纜連接器，選用的是浙江樂清公司生產(chǎn)的裝置，輸出方式同樣為該公司的產(chǎn)品，最大工作電壓為350 A，隔離換向開關(guān)采用4 臺400 A/1 140 V 規(guī)格的裝置，具備換相和帶載分段功能。

4 供電系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在分析雙柳煤礦33（4）20 工作面主要用電設(shè)備的基礎(chǔ)上，對工作面供電系統(tǒng)進行了設(shè)計研究。目前設(shè)計的供電系統(tǒng)已經(jīng)成功部署到該礦工程實踐中，連續(xù)運行時間超過1 a。實踐結(jié)果表明，設(shè)計的供電系統(tǒng)能很好地適應(yīng)煤礦工況環(huán)境，整體運行穩(wěn)定，使用期間沒有出現(xiàn)明顯的用電方面的故障問題，而且大功率煤礦開采設(shè)備在啟動和停機時，對井下供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊在可控范圍內(nèi)，為供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

以雙柳煤礦33（4）20 工作面供電系統(tǒng)為研究對象，在分析礦井主要用電設(shè)施的基礎(chǔ)上，對供電系統(tǒng)進行了設(shè)計。煤礦中使用的機電設(shè)備主要集中在工作面和順槽，根據(jù)采煤機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、刮板輸送機等裝備的位置及功率，確定使用4 個移動變電站；根據(jù)變電站對應(yīng)的負載大小，計算并選擇的4 個變壓器的視在功率分別為4 000、4 000、2 000、315 kVA，能滿足實際需要；在對供電系統(tǒng)整體進行設(shè)計的基礎(chǔ)上，分別從高壓側(cè)和低壓側(cè)電纜選擇、低壓組合開關(guān)選擇層面對供電系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計。將設(shè)計的供電系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實踐中，表明應(yīng)用效果良好，能保障井下設(shè)備的安全可靠運行。