淺析6kV 中壓配電在露天采煤機上的應用設計

劉文新

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410199）

隨著采煤技術的進一步發展，雖然露天采煤機的發展趨于大型、可靠、單體設備和生產系統的自動化，但露天采煤機目前仍采用傳統柴油機作為動力來源，消耗燃油，排放尾氣，噪音大，影響大氣環境治理，發動機作為主機的核心部件，主要依賴于進口，尤其是大功率柴油發動機，經濟成本高。隨著我國電力技術與電控技術不斷發展，采煤機開始朝著電力電動的方向進行。在低碳經濟和節能減排形勢下，具有零排放、無污染、噪音極小、能效高等諸多優點的電力電動系統逐漸應用在露天采煤設備上。

1 露天采煤機配電供電電壓選擇

露天煤礦采場供電電壓的等級，應根據露天礦境界范圍、達產時的電力負荷、后期擴建后的電力負荷、供電距離對電壓水平的影響，大型設備啟動時對其他生產設備的影響、不同電壓等級線路的損耗等因素來確定，大中型露天礦一般設雙回路電源。根據《煤礦安全規程》3.5.11 規定，煤礦用電各級配電電壓和各種電氣設備的額定電壓等級，應符合下列要求：高壓不超過10000 伏；低壓不超過1140 伏。根據GB50070《礦山電力設計規范》4.0.2 規定，采礦場和排廢場的高壓電力網配電電壓，應采用6kV 或10kV。

對于用電設備電力電動露天采煤機來說，供配電方案還要滿足以下兩個條件：

（1）采煤機設備應與礦區其他設備必須使用同一供電系統。

（2）電壓等級選擇，在任何時候必須與落地變電站具有相同電壓，設備和電網能夠能夠保持相同的輸出參數。

國內目前煤礦大型設備的主要用電電壓及下井電壓等級為6kV，綜合各種因素確定露天采煤機宜采用6kV 電壓等級供電。

2 露天采煤機配電系統設計思路

露天采煤機是一種集采、裝、破一體，完成采掘和裝載，同時將物料輸送至后部轉載設備上的連續采煤設備，主要工作裝置動作有截割、裝載、刮板一運、皮帶二運、履帶行走轉向、除塵噴霧等，是一種大功率重型采煤設備。工作裝置根據整機功率設計選用相應的驅動方式。一般為液壓馬達+減速機或電機+減速機兩種方式。但無論采用哪種方式，都是需要首先將6kV 電能進行轉化，才能滿足我們需求。現有大型露天采煤機整機功率都較大，運行電機在啟停時對供電電網有很大的沖擊影響。

露天采煤機易受到自然環境如風沙、煤粉、灰塵、雨、雪、雷電、震動、腐蝕性、紫外線強及酷熱和嚴寒的影響，使用環境和工況比較惡劣。

露天采煤機需不斷隨工作面的推進頻繁移動，轉運要靈活，主機供電來源于落地變電站，故采煤機電纜卷筒收放纜長度也應滿足可移式變電站移動范圍。

綜合以上分析，露天采煤機如采用6kV 中壓配電系統，則要求其車載高壓配電系統應滿足移動靈活、外殼堅固，防塵、耐高低溫等要求，滿足整機布置空間及安全防護要求。其核心部件電纜卷筒、異步電機及中壓配電柜設計尤為重要，具體分析如下：

圖1 露天采煤機中壓配電示意圖

2.1 露天采煤機電纜卷筒設計思路

作為連接落地變電站與露天采煤機設備之間的電力電纜連通部件，電纜卷筒的設計尤為重要。電纜卷筒一般放置于車體后部，皮帶機下方。采煤機在前進或后退行駛時，電纜卷筒電纜隨之收放，保持電纜在適度的落地長度。

采煤機電纜卷筒及電纜設計要滿足以下條件：

2.1.1 使用環境。電纜卷筒及電纜要滿足煤粉、灰塵、拖拽、扭曲碾壓、腐蝕性、高低溫環境下能夠正常使用，在強烈日常紫外線下能夠保持電纜抗老化和硬化現象；具有良好的抗拉和耐磨性能；減速機齒輪或鏈條、導纜架傳動裝置、接線盒進出線鎖頭處、卷筒高壓進出線鎖頭處做好密封防護，防止煤粉附著堵塞。

2.1.2 電壓等級及容量要求。電纜卷筒及電纜電壓等級為6kV，最高電壓可滿足10kV；卷筒電纜規格容量應考慮整機負載功率，纏繞層數、電纜長度、壓降率等因素。

2.1.3 驅動方式。一般有兩種方式：電機驅動和液壓驅動。電機驅動一般選用帶加熱器和制動器的三相鼠籠式馬達，供電電壓為400V/50Hz，可實現正反轉，使用變頻調速調整調整電機轉速，可隨采煤機行駛速度的變化而變化；液壓驅動一般為液壓馬達帶減速機，可實現正反轉，使用電比例調速電磁閥，可隨采煤機行駛速度的變化而變化。

露天采煤機要頻繁的左右調運、前后移動的工況，這就需要車體后側電纜卷筒要在一定的張力下進行電纜收放，以避免露天采煤機在行走時碾壓或拉斷電纜，電纜卷筒收放裝置能對整機的調運孫渡及安全性有重要影響。

露天采煤機在前進時，電纜卷筒被動放纜；后退時，電纜卷筒主動收纜；電纜卷筒收放纜速度與露天采煤機行走速度匹配；電纜受力要小。以下以液壓閥組簡單說明自動收放纜原理。

露天采煤機后退，電纜卷筒主動卷纜過程: 先導手柄8.1，8.2 輸出的后退先導壓力，同時作用于控制行走的多路閥先導油口和壓力傳感器10，行走多路閥控制行走減速機馬達總成反轉驅動設備后退；壓力傳感器10 將壓力轉化為電氣信號發送至控制器，控制器發送控制信號將電磁換向閥2 換向，高壓油自卷纜閥組P 口進入，由減壓溢流閥1 減壓后，經電磁換向閥2 進入擺線馬達5 的A 口，擺線馬達5 的輸出轉速經減速機6 減速后驅動卷筒旋轉進行收纜。通過單向節流閥4 調節擺線馬達5回油背壓調節卷筒的最大卷纜速度。露天采煤機前進，電纜卷筒被動放纜過程: 露天采煤機向前行走，電纜處于被拉緊狀態，電纜拉力驅動電纜卷筒反轉，此時擺線馬達5 變為泵工況，液壓油從擺線馬達5 的A 口流出，經電磁換向閥2 后達到溢流閥3，當油液壓力克服溢流閥3 的設定值后，溢流閥3 打開，擺線馬達5 開始反向旋轉，電纜被拉出。

圖2 卷纜控制系統原理圖

2.2 露天采煤機異步電機選型設計思路

三相異步電機選用基本原則如下：

（1）電動機的機械特性、啟動、制動、調速及其它控制性能應滿足機械特性和生產工藝過程的要求，電動機工作過程中對電源供電質量的影響（如電壓波動、謝波干擾等），應在容許的范圍內。

（2）按預定的工作制、冷卻方法基輔在情況所確定的電動機功率，電動機的溫升應在限定的范圍內。

（3）根據環境條件、運行條件、安裝方式、傳動方式，選定電動機的結構、安裝、防護形式，保證電動機可靠工作。

露天采煤機各運動部件功率不一，用途不一，三相異步電機選型需以實際需求而定，采煤機工作裝置如截割裝置、行走裝置、轉運裝置等都需要用到三相異步電機。

（1）用途及輸出形式

異步電機+減速機（分動箱），輸出機械傳動，實現執行機構的轉動能，主要用于截割裝置，皮帶傳動等。

異步電機+液壓泵（高低壓水泵或氣動泵），輸出端連接液壓泵實現液壓執行單元的功能，比如液壓馬達、油缸等動作；輸出端連接高低壓水泵，實現增壓噴水功能；輸出端連接氣動泵實現氣動執行單元功能，比如增壓吹氣、氣動缸功能。

（2）使用環境。異步電機滿足煤粉、灰塵、高低溫等環境，異步電機有防護式和封閉式兩種防護型式。按冷卻方式可分為風冷（自冷式、自扇冷式和它扇冷式）和水冷等。按實際工況選擇合適的冷卻方式。在低溫環境下，電機要有加熱功能。

（3）電機保護。三相異步電機要具有以下保護功能，具體如下：

a.電機保護：電機具有缺相、過載、短路保護功能，具有反時限過負荷保護功能。

b.電機漏電閉鎖保護：當電機檢測到有漏電發生時，能觸發漏電閉鎖保護功能，系統不允許電機啟動；要求在電機啟動前投入檢測，電機啟動后不檢測；電機停止后延時投入檢測。

c.電機零序絕緣保護：在電機運行中有漏電發生時，能觸發漏電絕緣保護，系統停止所有電機運行。

d.電機啟動沖擊保護：電機回路要配置阻容吸收器，減小電機啟動時的沖擊。

e.電機超溫保護：根據電機配置的溫度探頭種類及數量實現電機溫度實時顯示，并且具有超溫故障顯示和電機保護功能。

2.3 露天采煤機中壓配電柜設計思路

整機通過電纜卷筒電纜將礦區落地6kV 變電站供電傳輸到車體后，要進入中壓開關柜進行分斷中壓回路及高壓檢測和安全防護。中壓啟動柜實現負載電機的啟停、過載保護、絕緣監測等。變壓器是將6kV 高電壓降壓后實現低壓負載用電和控制用電需求。低壓控制柜實現柜體用電設備控制和整機低壓控制負載設備的連接、分配和控制。

基于露天煤礦實際工作環境和整機車體空間受限，宜采用高防護抗沖擊型外殼，在減小體積、笨重的同時做到全面保護。具體設計思路概括如下：

2.3.1 柜體的外殼和各功能單元之間的隔板均采用敷鋁鋅鋼板彎折后栓接而成，開關柜已從結構上考慮內故障電弧的影響，柜頂應設壓力釋放板。

2.3.2 開關柜應細分為若干個獨立隔室。各柜主母線室應經絕緣套管貫通，主母線安裝后，各柜主母線室應被隔開。

3 結論

中國的露天采煤設備經歷了從人工開采到機械開采，從蒸汽動力到燃油動力，再到電氣動力，從粗放管理到自動糊、信息化、數字化再到智慧化概念。露天采煤機逐漸向著大型化、無人化方向發展，我國會廣泛應用智能化大規模采煤，從而降低生產成本，提高采煤效益。