大柳塔煤礦主運大巷8 700 m膠帶機電控系統設計

崔廣闊，萬孟合

(神東煤炭集團教育培訓中心，陜西 榆林 719315)

0 引言

煤礦主運輸設備采用膠帶式輸送機是神府礦區最常用的做法，膠帶式輸送機的啟動方式、電控方式也日趨成熟，采用變頻驅動已經是目前的主流技術，工程造價適中，節能效果明顯[1]。但隨著神府礦區的深部開采，煤礦產量的日益增大，對于膠帶輸送機的功率、電壓也隨之增加。因此選用控制可靠、性能優良、價格合理的電控設備也至關重要。

1 項目背景

大柳塔煤礦地處神府東勝礦區的神府區，位于陜西省神木市境內，神木市西北向約52.5 km烏蘭木倫河東側，行政區劃隸屬于神木市大柳塔鎮管轄。大柳塔煤礦是神東煤炭分公司首個千萬噸級礦井。井田東西長10.5～13.9 km、南北寬9.1～10.5 km，井田面積126.174 5 km2。5-2煤大巷膠帶機作為大柳塔煤礦5-2煤開采延伸大巷主運輸膠帶機，該膠帶機安裝于5-2煤主運大巷內，與5-2煤主井膠帶機搭接，機長8 700 m。該機為近水平運輸膠帶機，提升高度為-30 m，運量為4 500 t/h，帶寬1 800 mm，帶速4.5 m/s，總裝機功率為7 000 kW，采用頭驅+中驅方式。該膠帶機為國內井工礦井最長運輸距離的整部膠帶機。其重要性不言而喻，因此電控系統設計的可靠性、先進性也尤為重要。

2 系統設計

2.1 啟動方式

目前變頻啟動技術在煤礦中的應用技術成熟，可靠[2]。文中不再對啟動方式的選擇加以贅述。大柳塔煤礦5-2煤主運大巷膠帶機主電機選用變頻啟動方案。

2.2 變頻拖動方案選擇

該膠帶機屬于長距離、大運量帶式輸送機，是礦井的關鍵設備[3]，經過技術經濟比較確定該膠帶機采用變頻拖動，針對本膠帶機裝機功率大的特點，為此設計提出以下3種變頻拖動方案。

方案1：采用青島天信生產的BPJ-1000/1140隔爆型變頻器。該類變頻器供電電壓1 140 V，控制電機功率為1 000 kW。設備采用12脈沖整流，有效降低網側諧波含量，已取得國家礦用防爆本質安全證書，可直接應用煤礦井下。設備具有多路模擬量輸入、輸出及I/O接口可方便地完成對外部的控制功能及接收外部控制信號，單獨使用時，完全可以完成整部膠帶機的控制。設備配有10.4吋液晶顯示屏，能夠顯示變頻器電流、電壓、頻率、溫度等參數、報警值等信息，可通過屏幕完成各種設置與操作，可利用鍵盤進行各種控制操作及參數設置等，具有電流、電壓、頻率、力矩、功率、變頻器自身的溫度及電機監控的溫度等顯示功能。但這種大功率變頻器在國內首次使用，成為其主要缺點。

方案2：采用德國Breuer公司的變頻一體電機。該類變頻器供電電壓為1 140 V，控制電機功率為1 000 kW，在德國、英國、斯洛文尼亞廣泛應用于大功率膠帶輸送機、刮板機的控制。2009年首次在國內應用于神東煤炭集團錦界煤礦3-1煤大巷二部膠帶機項目中應用情況良好，該設備整裝進口于德國，昂貴的價格成為該類產品廣泛應用的制約因素。

方案3：采用ABB的ACS1000型一般型變頻調速裝置地面控制，變頻電機電源通過垂直鉆孔敷設至井下驅動電機。該類變頻器供電電壓3 300 V，控制電機功率范圍800～2 000 kW，廣泛應用于主井提升大功率電機的控制，該方案中變頻器在地面選址新建配電室，并通過電纜鉆孔將長距離的電機電纜輸送至井下膠帶機驅動部。其主要缺點為：驅動部的主電機冷卻風扇等輔機由于供電電壓的限制而不允許長距離輸電，只能就地設置配電點；主電機電氣控制設備距離驅動部較遠，不利于設備檢修、巡檢；輔機電源與主電機電源由兩個配電點提供，增加供電不同期停電率；主機電纜需要通過鉆孔敷設，當電纜出現故障時，更換困難。

以上3種方案的技術經濟對比詳見表1。經綜合對比，方案2經濟性較差，方案3系統設計復雜，需地面井下結合控制使用，而方案1經濟性適中，系統簡單可靠，因此推薦采用方案1。

表1 大柳塔5-2煤大巷膠帶機變頻拖動方案技術經濟比較

2.3 控制系統設計

變頻器控制：采用直接轉矩控制方式(DTC)，轉矩和速度控制精確平滑，保持皮帶動態張力最小，減少對負載機械的沖擊。變頻器的頻率調節精度為0.1 Hz，穩定精度為0.5%。實現兩象限和四象限運行，節能降耗。能夠實現多級拖動設備主從運行，并實現功率平衡調節和同步拖動。

功率平衡：多電機驅動采用主從控制，能提供精確的負載分配控制，平衡精度≤3%。不會出現皮帶打滑現象。

通信系統：具有CAN、Ethernet、RS485等多種通信接口，可實現與上位機通訊，實現集中控制，并將數據傳送至地面調度室進行遠程監控。

輸入輸出接口設計：每臺變頻器自帶12路數字、模擬I/O接口。

控制網絡設計：控制系統利用井下已建千兆環網采集上一級膠帶機運行信號，由控制器根據該信號發出指令進行自動分段調速，實現膠帶機在線調速。膠帶機控制邏輯圖詳如圖1所示。

圖1 膠帶機控制邏輯圖

2.4 配電系統設計

負荷計算：由于在計算膠帶機主電機負荷時采用電容式儲能變頻器，因此變壓器選型時的負荷計算主電機功率因數為0.9，負荷計算詳見表2。

表2 膠帶機負荷計算表

設備選型：根據表2負荷計算結果，設備選型主要在于變頻變壓器及變頻器。機頭選用1臺KBSGZY-2000/10/1.2 Yy0變壓器和1臺KBSGZY-2000/10/1.2 Yd11變壓器作為主電機的變頻變壓器，輔機電源引自5-2煤中央水泵房變電所660 V側。中驅選用1臺KBSGZY-1600/10/1.2 Yy0變壓器和1臺KBSGZY-1600/10/1.2 Yd11變壓器作為主電機的變頻變壓器，輔機電源引自5-2煤中央水泵房變電所660V側。變頻器均采用BPJ-1000/1140型礦用隔爆型變頻調速裝置，共計7臺。

電纜選型：電纜選型應遵循《煤礦安全規程》《礦山電力設計規范》《煤礦井下供配電設計規范》《電力工程電纜設計規范》等國家相關規定。需注意電纜導體截面選型的步驟：①通過安全載流量初步選定電纜導體截面；②經正常運行壓降校驗、熱穩定校驗、電動機啟動壓降校驗、經濟電流密度校驗等綜合確定電纜導體截面。計算過程中應特別注意在選用變頻器至電機負荷電纜時，功率應按照電動機出廠銘牌功率因數計算。本項目中，主電機負荷電纜選型為礦用變頻裝置用屏蔽電纜，電纜型號為：MVFP-0.66/1.14 3×185+3×70/3+3×6 mm2。由于該型電纜參考外徑為68.4 mm，因此在選用移動變電站低壓饋頭時應特殊注明“可引入電纜外徑不小于70 mm”，否則將會出現現場無法進行接線的情況。

本項目在機頭配電硐室及中驅配電硐室均設置局部接地裝置，采用3 000 mm×200 mm×4 mm鍍鋅鋼板兩塊，分別埋設在硐室外的水溝內作為局部接地極。在配電硐室及機頭硐室內設置-50×5 mm扁鋼接地母線，接地母線與硐室室內墻面垂直距離為15 mm，距室內地面垂直距離0.3～0.5 m，該接地體明敷，其水平支持件間距為1.5 m，轉彎處為0.5 m，過門、通道處采用穿鋼管暗敷。各個電氣設備的金屬外殼、鎧裝電纜的鋼帶(鋼絲)和鉛包、電纜橋架均應通過單獨的連接導線直接與輔助接地母線相連接，連接導線的規格為斷面不小于50 mm2裸銅線。局部接地裝置通過高壓電纜內的接地線芯與中央水泵房內的主接地網連接，要求實測接地電阻不大于2 Ω，如不滿足要求，應增加人工接地極。

供檢漏保護裝置作檢驗用的輔助接地線應用總斷面≥10 mm2的橡套電纜，輔助接地極應單獨設置，輔助接地極與局部接地極的直線距離不小于5 m，輔助接地極可用直徑不小于35 mm，長度不小于1.5 m的鋼管制成，管上應至少鉆20個直徑小于5 mm的透孔，并垂直全部埋入底板；照明綜保的輔助接地極可利用直徑不小于22 mm，長不小于500 mm的鋼管進行埋設，供檢漏保護裝置作檢驗用的輔助接地線利用MYQ-0.3/0.5 4×2.5 mm2電纜與輔助接地極連接。

3 其他設計問題

3.1 變頻器電壓等級

首次在煤礦井下應用國產1 140 V電壓等級大功率防爆變頻器，解決了以往660 V變頻器需設置多驅的問題，達到了國際先進水平(該項目若使用500 kW驅動電機，驅動數量達到14驅)。該產品第1次應用于國內煤礦井下關鍵運輸系統中，該設備與其他設備之間的協調配合還有待驗證。

3.2 在線調速

根據以往變頻器應用經驗，變頻調速功能僅應用于啟動、檢修過程。本項目中采用通過井下環網采集上一級膠帶機運行信號，由控制器根據該信號發出指令進行自動分段調速。實現自動調速可減少輸送帶、托輥等設備的磨損，在一定程度上延長了設備使用壽命，同時也可實現電能的節約。

3.3 通訊接口

青島天信出廠時標配的主從通信模式為CAN、RS485電通訊接口，而由于本項目中膠帶機頭驅距離中驅達到5 km，標準配置的電接口無法滿足通訊距離要求，因此現場實際使用情況是廠家額外在變頻器內部增加了光電轉換模塊，以保證頭驅、中驅之間的通訊要求。

3.4 諧波抑制

由于礦井大量非線性電氣設備的使用，電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流。諧波污染對電力系統的危害是嚴重的，本項目采取12脈沖整流變頻器，可以有效抑制3次及6 k±1次以上的奇次諧波，加以抑制減少其危害。

3.5 節能環保

該項目采用先進的稱重傳感器，實現膠帶機在線調速，避免在載輕貨情況下，電機輸出的浪費。在保證電機輸出力矩的情況下，可自動調節V/F曲線。減少電機的輸出力矩，降低輸入電流，達到節能狀態。

配電硐室及機頭硐室采用礦用隔爆型LED照明燈具，LED節能燈采用高亮度白色發光二極管發光源，光效高、耗電少、壽命長、易控制、免維護、安全環保。LED燈發熱量不高，把電能量盡可能地轉化成了光能，而普通的燈因發熱量大把許多電能轉化成了熱能，白白浪費。對比而言，LED照明就顯得更加節能。

3.6 配電硐室

距離驅動部300 m遠規劃有大柳塔煤礦5-2煤中央水泵房變電所，可聯合將膠帶機電控設備布置在中央水泵房變電所，但考慮到操作控制方便，最終將機頭配電硐室選取于機頭主運大巷與輔運大巷之間的聯巷內。由于硐室長度受限制，設備采用面對面布置方式，硐室寬度達到6.5 m，因此在支護上需特殊設計。

3.7 電纜敷設

配電硐室內電纜沿電纜溝敷設，配電硐室至驅動部電纜采用梯階式電纜橋架敷設。電纜橋架在設計中應注意，電纜橋架水平敷設時，橋架之間的連接頭應盡量設置在跨距的1/4處左右，水平走向的電纜每隔2 m左右固定一下，垂直走向的電纜每隔1.5 m左右固定一下；電纜橋架跨巷安裝時，采用頂吊型安裝方式；動力電纜之間的距離不應小于1/4電纜的直徑；電纜橋架應與水管分兩側布置，如需同側布置時，電纜橋架應至少距水管上方300 mm位置安裝；電纜橋架裝置應有可靠接地，鍍鋅鋼材橋架可利用本體作為接地體，否則橋架內應布置-40×4扁鋼作為接地干線，每層橋架的端部用50 mm2軟銅線連接(并聯)起來，與總接地干線相通，長距離的電纜橋架每隔30～50 m接地一次。

3.8 防火措施

電纜進入溝、建筑物以及配電屏、開關柜、控制屏時，應做阻火封堵；電纜穿入保護管時管口應密封；應按照相關國家標準設置阻火墻。并在阻火墻緊靠兩側不少于1.5 m區段所有電纜上涂刷防火涂料、纏阻燃包帶，或設置檔火板；防火涂層厚度應達到1 mm。

3.9 智能化配套

目前智能化的應用已成為當代工業技術的趨勢，因此在本項目設計中也結合智能化技術的應用，為實現智能化膠帶機、智能化礦井做技術支持。本項目中膠帶機配置一套KTC101系列的保護控制器，用以檢測膠帶輸送機運行狀態、信號、并實現沿線通信，急停閉鎖等功能。本項目應用光纖測溫系統用以檢測膠帶輸送機沿線的溫度異常情況。本項目利用礦井工業視頻系統實時監控膠帶輸送機的直觀狀態，并采用先進的視頻分析軟件直接對貨載異物進行告警，達到防撕裂保護的目的。

4 項目取得成果及現場應用情況

4.1 項目成果

大功率隔爆變頻器應用：首次在煤礦井下使用國產1 140 V隔爆變頻器，相比于使用進口變頻一體電機方案，電氣工程費用節省約25%。

長膠帶多點驅動：大柳塔煤礦5-2煤主運大巷膠帶機整機長度8 700 m，是目前井工礦中膠帶輸送機整機長度最長的膠帶機。

自動調速：本項目中采用通過井下環網采集上一級膠帶機運行信號，由控制器根據該信號發出指令進行自動分段調速。實現自動調速可減少輸送帶、托輥等設備的磨損，在一定程度上延長了設備使用壽命，同時也可實現電能的節約。

獲獎：該項目獲得煤炭行業第17屆優秀工程設計獎二等獎。

4.2 現場應用情況

大柳塔煤礦5-2煤主運大巷8 700 m膠帶機自2010年投入使用以來，整機運行良好，未出現任何因系統設計缺陷導致的機電設備故障。

5 結語

大柳塔煤礦5-2煤主運膠帶機的電控系統設計是一次大膽的嘗試性設計，也是一次成功的國產化應用案例。神東敢于在大柳塔煤礦重點環節中第1次采用國產1 140 V變頻器，并且取得成功，證明了該方法的可行性。