煤礦井下抗災潛水泵電控系統(tǒng)研究

黨小煒　李超　李鵬云

摘 要 近些年來，我國煤礦井下透水事故時有發(fā)生，這些事故不但直接威脅著煤礦工人的生命安全，而且還會危害煤礦的建設(shè)和生產(chǎn)。所以煤礦井下水害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大問題之一，國家煤礦安全監(jiān)察局、省煤礦安全監(jiān)察局等部門對此高度重視，因此必須下決心有效地遏制煤礦透水事故的發(fā)生，并建立抗災強排系統(tǒng)，在透水事故發(fā)生時，強行排水。為保證抗災強排系統(tǒng)在透水事故發(fā)生時能可靠運轉(zhuǎn)，抗災強排系統(tǒng)的電控系統(tǒng)的可靠性也顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞 抗災潛水泵；電控系統(tǒng)；高壓干式調(diào)壓軟啟動柜

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0071-02

礦井透水事故是危害面最大、影響生產(chǎn)時間最長的礦難事故。因此按照國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒布2009年12月1日起施行的《煤礦防治水規(guī)定》第一百一十八條規(guī)定：受水威脅嚴重的礦井，應當實現(xiàn)井下泵房無人值守和地面遠程監(jiān)控，推廣使用地面操控的潛水泵排水系統(tǒng)；《煤礦安全規(guī)程》（2011版）第二百七十三條之規(guī)定，水文地質(zhì)條件復雜或有突水淹井危險的礦井，應當在井底車場周圍設(shè)置防水閘門或在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安設(shè)具有獨立供電系統(tǒng)且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵。

1 潛水泵配電系統(tǒng)

下面就本人近期設(shè)計的兩個大型礦井的井下潛水泵配電系統(tǒng)進行詳細論述。

1.1 文家坡礦井及選煤廠井下強排潛水泵配電系統(tǒng)

1）設(shè)備概況。礦井強排系統(tǒng)選用2臺BQ1100-850/10-4000/W-S型礦用隔爆型潛水泵，2臺同時工作。每臺水泵配套隔爆電動機功率4000 kW，電壓10 kV，同步轉(zhuǎn)速1500 r/min。

2）配電系統(tǒng)。強排設(shè)備用電負荷等級為一級，所以配電系統(tǒng)采用雙回路電源供電。由于潛水泵配套電動機功率較大，若采用直接啟動對上級電源沖擊太大，所以考慮選用兩臺高壓干式調(diào)壓軟啟動解決潛水泵啟動問題。

強排潛水泵配電室設(shè)在本礦井風井場地排矸立井井口附近，強排潛水泵配電室內(nèi)安裝10臺KYN28A-12型高壓開關(guān)柜（2臺進線柜，2臺PT柜，1臺隔離柜，1臺聯(lián)絡(luò)柜，2臺所用變柜，2臺高壓干式調(diào)壓軟啟動柜），2臺所用變柜為強排潛水泵配電室內(nèi)控制設(shè)備提供AC380V低壓電源，2臺高壓干式調(diào)壓軟啟動柜直接向強排潛水泵供電。高壓配電系統(tǒng)采用單母線分段結(jié)線形式。

強排潛水泵配電室雙回路10 kV電源進線均選用2×（YJV22-8.7/10kV 3×120 mm2）的電纜引自風井場地35 kV變電站10 kV不同母線段，由強排潛水泵配電室至強排潛水泵的電纜選用MYJV42-8.7/10kV 3×150 mm2，沿排矸立井井筒及井下巷道敷設(shè)至井下強排潛水泵（供電距離小于2 km）。

本配電系統(tǒng)選用的高壓干式調(diào)壓軟啟動柜可與KYN28A-12型高壓開關(guān)柜共母排并柜布置，采用一體化高壓干式調(diào)壓軟起動裝置（非水電阻、磁控、磁閥、電磁調(diào)壓、可控硅（晶閘管），即高壓開關(guān)柜、運行旁路柜、軟起動柜三柜合一。三柜合一設(shè)計方案減少了配電系統(tǒng)的級數(shù)，能有效提高系統(tǒng)運行的可靠性。

高壓干式調(diào)壓軟啟動柜具備以下基本性能，為大容量強排潛水泵的啟動、運行提供了強有力地支持：采用干式調(diào)壓裝置，通過設(shè)定起動電流大小改變阻抗值，使阻抗值無級、平滑減小，電動機端電壓均勻提高；具備起動最大電流可預置，起動電流可控；重復性：初始阻抗穩(wěn)定，保證多次起動性能的穩(wěn)定性和可重復性；調(diào)整性：起動時間、起動電流、阻抗值等參數(shù)可根據(jù)工況現(xiàn)場及負載情況調(diào)整；控制性：阻抗值可按最佳轉(zhuǎn)矩、最小起動電流改變，起動過程完全受控，同時電網(wǎng)起動壓降也得到有效控制；起動過程平滑，有必要的手段確保起動一次成功并且起動運行切換二次無沖擊，不受電網(wǎng)電壓波動和負載變動影響；電動機起動時，干式調(diào)壓軟起動裝置能夠自動投入；起動完畢后，起動裝置能夠自動退出。

1.2 龍王溝礦井及選煤廠井下強排潛水泵配電系統(tǒng)

1）設(shè)備概況。礦井強排系統(tǒng)選用2臺BQ550-650/17-1600/W-S型礦用隔爆型潛水泵，2臺同時工作。每臺水泵配套隔爆電動機功率1600 kW，電壓10 kV。

2）配電系統(tǒng)。強排設(shè)備用電負荷等級為一級，所以配電系統(tǒng)采用雙回路電源供電。由于潛水泵配套電動機功率不大，且本礦井上級電源容量大，所以本礦井強排潛水泵采用直接起動。

強排潛水泵配電室設(shè)在本礦井工業(yè)場地主斜井井口，與主斜井驅(qū)動機房配電室聯(lián)建，強排潛水泵配電室內(nèi)安裝6臺KYN28A-12型高壓開關(guān)柜（2臺進線柜，1臺PT柜，1臺所用變柜，2臺電動機饋線柜），1臺所用變柜為強排潛水泵配電室內(nèi)控制設(shè)備提供AC380V低壓電源，2臺電動機饋線柜直接向強排潛水泵供電。高壓配電系統(tǒng)采用雙電源進線閉鎖單母線不分段結(jié)線形式。

強排潛水泵配電室雙回路10 kV電源進線均選用YJV22-8.7/10kV 3×120 mm2的電纜引自主井場地110 kV變電站10 kV不同母線段，另一回路AC380V備用電源引自主斜井驅(qū)動機房配電室AC380V低壓母線。由強排潛水泵配電室至強排潛水泵的電纜選用MYJV22-8.7/10kV 3×120 mm2，沿主斜井井筒及井下巷道敷設(shè)至井下強排潛水泵（供電距離小于1 km）。

1.3 配電系統(tǒng)總結(jié)

電源必須符合一級負荷的供電要求（高低壓電源均為雙回路）。潛水電泵可以全壓（直接）起動，也可降壓起動。原則上，在全壓起動條件滿足時，要采用全壓起動，因為全壓起動是最簡單、最可靠、最經(jīng)濟的起動方式。但全壓起動起動電流大，在配電母線上引起的電壓下降大。

當全壓起動條件不滿足時，可考慮采用降壓起動方式。降壓起動的方式有：電抗器降壓起動、自耦變壓器降壓起動、軟起動（可控硅固態(tài)軟起動、水電阻軟起動）、星三角降壓起動。目前多采用固態(tài)軟起動，優(yōu)點是可提供平滑無極的加速和可控制的減速，起動時避免過沖，停車時避免水錘現(xiàn)象。endprint

2 潛水泵控制系統(tǒng)

文家坡礦井及龍王溝礦井的強排潛水泵控制系統(tǒng)均選用自動控制、計算機信息網(wǎng)絡(luò)、實時在線檢測、數(shù)據(jù)庫及專家智能軟件等先進技術(shù)組成三級或四級分布式自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件使用智能控制軟件平臺，配套使用潛水泵專用綜合保護儀HD-200KS，配合視頻電視監(jiān)控系統(tǒng)，使泵站運行做到“無人值班、少人值守”，更進一步保證了水泵的可靠性、安全性，優(yōu)化水泵運行，實現(xiàn)機、電、儀三位一體。實現(xiàn)對礦井泵站運行過程自動優(yōu)化控制、安全聯(lián)鎖保護和綜合信息管理。

控制系統(tǒng)共設(shè)2臺操作站計算機，互為冗余配置，放置在井上控制室；高壓開關(guān)柜、控制主機放在地面配電室。控制主機1套，完成電機溫度、流量、壓力、水位、電流等各參數(shù)的檢測及潛水泵啟停控制。

水位傳感器、壓力傳感器等安裝在井下。控制主機包括PLC、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、串口服務器等，除完成水泵的控制和參數(shù)采集功能外，還可以實現(xiàn)與HD-200KS潛水泵保護儀、高壓開關(guān)綜保等設(shè)備的通訊。

在水倉設(shè)投入式液位計3只，實時監(jiān)測水倉水位；潛水泵出口設(shè)壓力變送器1只，監(jiān)測出水口壓力，在井上出水水管上設(shè)流量計1只，測量排水流量。

控制方式可分為：遠程自動、手動、就地集中控制方式。

遠程自動：在上位機上選擇此方式，水泵根據(jù)液位自動啟動，即恒液位控制。

遠程手動：在上位機上選擇此方式，鼠標選擇相應水泵-點擊啟動-再確認。

就地集中：在高壓柜上選擇此方式，按下相應水泵啟、停按鈕，一鍵式完成水泵開、停。

3 設(shè)計時需要考慮的其他問題

1）影響電動機起動有線路壓降、配電母線壓降、電動機端子壓降等幾個因素。這里對壓降計算不在贅述。

《GB/T 12325-2008電能質(zhì)量供電電壓偏差》中規(guī)定：35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；220 V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%。

《GB 50055-2011 通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：電動機起動時，其端子電壓應能保證機械要求的起動轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設(shè)備的工作。

2）控制信號的傳輸。對于控制信號能否在長的距離工況下穩(wěn)定工作，一直困擾著設(shè)計人員，于是針對長距離（1-2 km）信號傳輸做了一系列試驗。

①長距離PT100溫度傳感器信號衰減試驗結(jié)論：三線制傳輸?shù)男盘柵c實際的溫度差值恒定，利用軟件可消除誤差；四線制傳輸?shù)男盘査p很小。

②長距離接近開關(guān)信號衰減試驗（加直流24 V電源）結(jié)論：信號衰減不大，能夠驅(qū)動中間繼電器，并使PLC能夠得到反饋信號。

以上試驗證明，2 km以內(nèi)潛水泵相關(guān)控制及監(jiān)測信號的傳輸可滿足地面自動控制的要求。若超過2 km的信號傳輸，沒有相應的試驗或應用實例，可在保證安全的前提下，建議在上部水平電控室內(nèi)加隔爆PLC分站的方式進行信號傳輸。

4 結(jié)論

在礦井發(fā)生透水事故時，強排潛水泵能大大提高井下工人的逃生幾率，因此選擇高可靠性的配電系統(tǒng)及技術(shù)先進的控制系統(tǒng)以保證強排潛水泵的可靠運轉(zhuǎn)是非常必要的。

參考文獻

[1]孫林艷.煤礦應急強排系統(tǒng)配電及控制設(shè)計體會[J].城市建設(shè)理論研究，2012（13）.endprint