煤層開采交流供電系統重要設備的選型研究

梁 晉

（同煤集團煤峪口礦， 山西 大同 037000）

1 煤礦供電系統概述

煤礦供電系統主要由四部分構成：礦井地面變電所、井下中央變電所、采區變電所和工作面配電點。外部電網將110 kV的高壓電輸送到礦井地面變電所，在變電所內完成降壓，將高壓電降至10 kV，并通過高壓電纜輸送到井下中央變電所。井下中央變電所是煤層開采供電的總電源和中間樞紐，將10kV高壓電進行降壓至1 140 V，一部分為其附近的用電負載供電，另一部分輸送至采區變電所。采區變電所位于工作面旁，能夠將1 140 V電壓降至380 V，為工作面配電點供電，也可以直接將1 140 V高壓輸送至工作面的移動變電站，由移動變電站進行降壓，為綜采工作面用電負載供電，這樣可以減小輸電時的電能損失。工作面配電點是電力系統的末端，位于工作面50～70 m處，是用電負載的聚集處。

由于井下條件復雜，并且含有可燃爆炸氣體，因此供電系統的保護是必不可少的[1]。井下的保護主要有以下三類：

1）過流保護。用電設備的電流過大會導致絕緣材料的老化，降低設備使用壽命，嚴重時可能造成短路，短路電流瞬時值會達到上千安培，產生的熱效應會對用電設備造成巨大破壞，因此需要設置過流保護裝置。

2）漏電保護。由于井下空間狹小，電纜容易受到碰撞，外皮可能會發生破損，產生漏電，會危及作業人員，甚至會引起瓦斯爆炸。為了防止此類現象的產生，必須安裝漏電保護裝置，并且要定期對電纜進行檢查，及時排除安全隱患。

3）接地保護。機電設備的外殼若沒有接地，與內部電纜接觸后可能會使外殼帶電，可能會造成觸電事故，因此井下所有電力設備都要進行接地保護，且接地電阻值不能超過規范要求。

2 煤層開采用電負荷的統計

本文以同煤某礦大采高綜采工作面為例研究煤層開采交流供電系統。用電負荷統計是設計煤層開采供電系統的前期重要工作，是變壓器等設備的選型依據，是后續系統設計工作的基礎[2]。目前用電負荷主要的統計方法有二項式法和需用系數法兩種，前者模型復雜，計算量大，使用較少，而后者得到了廣泛的應用。需用系數是指用電設備組長時間工作時的平均功率與負荷組總容量的比值，需用系數法的關鍵是使用數理統計確定各用電設備組的需用系數，計算公式如式（1）：

式中：KX為設備組需用系數；Kai為不同用電負荷間的同時系數，采用式（2）計算；Kl0為設備組的輸出系數，采用式（3）計算；η為設備組中用電負荷同時工作的平均效率，采用式（4）計算；η1為電纜輸送效率，一般取 0.95～0.98。

式中:∑Pai為同時工作用電負荷的容量之和；∑PN為設備組總的額定容量之和；∑PaiS為設備組中實際同時輸出功率之和；ηai為各設備的用電效率。

采用這種計算方法可以計算出各設備組的需用系數，但計算較為復雜。由于煤層開采時的設備基本相同，在大采高綜采工作面采用的設備大同小異，工程上經常使用經驗值進行需用系數的確定，如下頁表1所示。

確定設備組的需用系數之后，與所有用電設備的額定功率之和相乘，即可得到用電設備組長時間運行的最大有功功率，它是后續進行設備選型的重要參數。

表1 煤層開采用電設備組的經驗需用系數

3 重要設備選型的計算

3.1 變壓器容量的計算

變壓器額定容量的選擇非常重要，選擇過大會增加設備投資，浪費成本，其空載損耗也會隨著變壓器容量的增大而增大，造成能源浪費；選擇過小也不利于工作面擴大生產，還可能由于容量不夠發生過負荷破壞。因此考慮到未來生產規模的擴大和自身的功率損耗，變壓器容量選擇時負荷率在70%～85%較為理想。

3.2 電纜選型的計算

在煤層開采的工作面電纜以低壓電纜為主，因此主要討論低壓電纜的選型要求。

3.2.1 滿足長時載流量要求

電纜的載流量主要與電纜的截面積有關，電纜的截面積越大，允許長時間通過的電流越大，但兩者并不成線性關系，還要考慮電纜散熱問題等其他因素。如果電纜的長時載流量超過其允許載流量，會加快電纜絕緣層的老化，引起相間短路。電纜長時工作載流量的計算公式為：

式中：KX為由電纜供電的設備負荷需用系數；∑PN為用電設備的額定容量之和；UN為用電設備的額定電壓；cosΦpj為所有用電設備的加權平均功率因數；ηpj為所有用電設備的加權平均效率。

從電纜標準規范中可以查到不同截面積，不同材質的電纜在25℃時的最大允許長時載流量IP。由于井下環境溫度與標準溫度不符，因此在計算電纜長時載流量時還要考慮溫度的影響，引入溫度修正系數Kt來修正電纜允許長時載流量I'P：

溫度修正系數Kt的數值見表2。

電纜允許長時載流量I'P應大于等于計算得出的電纜長時工作電流Ica。

表2 溫度修正系數Kt的取值

3.2.2 滿足機械強度要求

在工作面敷設的電纜需要隨著工作面的推進進行拖拽，有時還會受到片幫的壓砸或是其他的外力作用，電纜的機械強度不夠，容易使電纜被拉斷，造成供電故障，因此在選型時需要對電纜的機械強度進行校核，不同井下機電設備所需滿足的電纜最小截面積如表3所示。

表3 不同設備允許使用電纜的最小截面積

在必要時還可以選擇鎧裝電纜以保證電纜的機械強度。

以某礦為例，綜采工作面的需用系數取0.65，負荷經統計后，總的負荷為255.9 kVA。首先確定變壓器容量，查詢變壓器型號對照表，選擇315 kVA容量的變壓器較為合適，此時負荷率為81.24%，有一定富裕度又不會造成經濟浪費。然后進行低壓電纜的選擇，代入式（5）進行計算，長時載流量為198 A，查詢電纜最大允許長時載流量并進行溫度系數修正，70 mm2電纜在30℃下的最大允許載流量為202 A，大于正常工作時的長時載流量，且超過采煤機電纜最小截面積，可以滿足使用要求。至此，變壓器和低壓電纜兩種重要的設備選型完成。

4 結論

井下供電系統必須滿足生產需要，其運行狀態的穩定與否直接關系到煤炭生產企業的生產效率。供電系統的平穩高效運行是煤礦生產的基礎條件，是煤層開采機械化、智能化的重要保障，其前提條件是設計合理的煤礦供電系統。