董東煤礦50118掘進(jìn)工作面供電設(shè)計(jì)與實(shí)踐

雷琳博，李海川，白翰林,白全林

(1.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715200；2.西安電子科技大學(xué) 基本建設(shè)處，陜西 西安 710071；3.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采的不斷深入，長距離掘進(jìn)巷道也變得愈發(fā)常見。與此同時，由于澄合礦區(qū)開采地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦頂?shù)装鍓毫^大，巷道起伏大，巷道變形、底鼓、高低道嚴(yán)重，造成設(shè)備移動難度大，需要進(jìn)行擴(kuò)幫、起底，造成設(shè)備移動效率較低。因此，傳統(tǒng)的近距離供電已不能滿足現(xiàn)有礦井的供電要求，需要采用遠(yuǎn)距離供電，即將移動變壓器放置于巷道口，該供電方式解決了移動機(jī)電設(shè)備困難的問題，但同時又出現(xiàn)了新的問題，長距離供電意味著線路壓降過大，設(shè)備啟動困難，設(shè)備轉(zhuǎn)矩達(dá)不到額定要求，供電線路電壓波動明顯，且保護(hù)靈敏性較差，給供電帶來了很大的挑戰(zhàn)[1-3]。為此，提出采用遠(yuǎn)距離供電的模式，通過分析計(jì)算確定影響供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的內(nèi)在因數(shù)，進(jìn)而提高電能質(zhì)量，以保證掘進(jìn)工作面安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的供電，為礦井的安全、高效生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

澄合董東煤礦為年產(chǎn)120萬t的現(xiàn)代化礦井。50118掘進(jìn)工作面是一個由綜掘機(jī)、刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)、無極繩絞車、水泵、鉆機(jī)等設(shè)備組成的以掘進(jìn)為目的的復(fù)雜系統(tǒng)，自動化、機(jī)械化程度較高。運(yùn)輸巷道距離長約800 m，為獨(dú)頭巷道，全部負(fù)荷達(dá)459 kW，具有巷道底鼓，運(yùn)輸條件較差、供電距離遠(yuǎn)、負(fù)荷大等特點(diǎn)，給礦井安全供電、安全生產(chǎn)及高效生產(chǎn)造成了很大的壓力。

1.2 電力負(fù)荷

供電系統(tǒng)采用遠(yuǎn)距離供電的模式。在掘進(jìn)工作面巷道口安裝一臺移動變壓器，作為綜掘工作面機(jī)電設(shè)備的動力電源，高壓端電壓為10 kV，低壓端電壓為660 V，通過KBZ型饋電開關(guān)及QJZ系列真空磁力啟動器為綜掘工作面機(jī)電設(shè)備供電。綜掘工作面主要的機(jī)電設(shè)備電力負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 工作面機(jī)電設(shè)備電力負(fù)荷統(tǒng)計(jì)Table 1 Electricity load statistics of electromechanical equipment in working face

1.3 移動變電站容量選擇

根據(jù)掘進(jìn)工作面實(shí)際負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況，利用需用系數(shù)法確定移動變壓器容量[4]。需用系數(shù)的計(jì)算見式(1)

(1)

工作面負(fù)荷容量計(jì)算見式(2)

(2)

式中，S為移動變電站容量，kVA；cosφ為用電設(shè)備的加權(quán)平均功率因數(shù)，取0.7；∑Pe為總額定功率，kW。綜上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇KBSGZY-630/10移動變壓器即可滿足該工作面電力負(fù)荷的需要，保證該工作面的電力供應(yīng)。

1.4 低壓電纜的選擇和校驗(yàn)

1.4.1 供電系統(tǒng)

根據(jù)50118綜掘工作面生產(chǎn)布局，結(jié)合工作面實(shí)際情況，現(xiàn)擬定該工作面供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 50118綜掘工作面供電系統(tǒng)Fig.1 Power supply system of 50118 fully mechanized excavation face

1.4.2 電纜截面選擇

50118掘進(jìn)工作面1臺移動變壓器提供所有的動力負(fù)荷，共計(jì)3個供電回路，單臺電動機(jī)供電的電流計(jì)算。按照電動機(jī)額定電流計(jì)取，對于多臺電動機(jī)饋電回路的供電，計(jì)算電流按照需用系數(shù)計(jì)算電流[5-7]。綜掘機(jī)回路1的計(jì)算電流為

(3)

水泵回路2的電流計(jì)算為

(4)

式中，∑PN為干線電纜所供的電動機(jī)額定功率之和，kW；UN為電網(wǎng)額定電壓，kV，取660 V；KX為需用系數(shù)，取0.8；cosφ為所帶負(fù)荷的加權(quán)平均功率因數(shù)，取0.85。同理可得，輸送機(jī)回路3的計(jì)算電流為177 A。根據(jù)各回路計(jì)算電流選擇電纜截面，依據(jù)最大計(jì)算電流小于電纜載流量原則選擇合適的電纜截面，電力電纜載流量見表2。綜掘機(jī)回路1初選型號MYP-0.66/1.14 3×120+1×35，額定載流量280 A>176 A，可滿足要求。輸送機(jī)回路2初選型號MYP-0.66/1.14 3×120+1×35，額定載流量280 A>177 A，可滿足要求。水泵回路3初選型號為MYP-0.66/1.14 3×50+1×16，額定載流150 A>77 A，可滿足要求。

表2 電力電纜載流量Table 2 Current carrying capacity of power cable

1.4.3 電纜截面校驗(yàn)

綜掘工作面供電系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗、移動變壓器阻抗及各供電回路關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表3。根據(jù)《煤礦井下供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50417—2007)第6.3.3條規(guī)定，“正常運(yùn)行時電動機(jī)的端電壓允許偏移額定電壓±5%，個別特別遠(yuǎn)的電動機(jī)允許偏移-8%～-10%”[8]，660 V系統(tǒng)末端的電壓損失不得超過5%，允許的電壓損失ΔU=63 V，根據(jù)電壓損失校驗(yàn)截面應(yīng)選擇一條所帶負(fù)荷較大、供電線路較長的回路，如果最小線路能滿足要求，其它線路也能滿足規(guī)范要求。在50118掘進(jìn)工作面中，綜掘機(jī)回路1距離較遠(yuǎn)，因此，只需要對綜掘機(jī)回路進(jìn)行電纜壓降計(jì)算即可。

表3 工作面供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Table 3 Key technical parameters of working face power supply system

則移動變壓器的電壓損失為

ΔUT=

×U2N/100=15.9 V

(5)

式中，Iw為正常運(yùn)行時，變壓器低壓側(cè)的負(fù)荷電流，A；U2N為變壓器二次側(cè)額定電壓，V；U2N為變壓器二次側(cè)的額定電流，A；ΔP為變壓器的短路損耗，W；SN為變壓器額定容量，kVA；UK為變壓器的阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。經(jīng)計(jì)算得移動變壓器的電壓損失為15.9 V。

干線和支線電纜中的電壓損失為

(6)

式中，L為電纜長度，0.8 km；UN為電網(wǎng)額定電壓，660 V；R0,X0為電纜單位長度的電阻和電抗，Ω/km；tanφ為電動機(jī)平均功率因數(shù)相應(yīng)的正切值，取1.02。經(jīng)計(jì)算，干線和支線電纜中的電壓損失為46.128 V。

綜上，綜掘機(jī)回路1電壓損失總和為∑ΔU=15.9+46.128+0=62 V。經(jīng)校驗(yàn)，該壓降小于允許最大損失電壓63 V，因此，校驗(yàn)合格，電壓降在允許的范圍內(nèi)。

1.5 過流保護(hù)整定及校驗(yàn)

1.5.1 過流保護(hù)整定

綜掘工作面綜掘機(jī)包含2個電動機(jī)，分別為截割電動機(jī)和油泵電動機(jī)，其功率分別為100 kW和45 kW。2臺電動機(jī)采用分別啟動的方式啟動，綜掘機(jī)饋電開關(guān)整定值計(jì)算見式(7)

IZ=Ist+∑In-1

(7)

式中，IZ為過流繼電器整定動作電流值，A；Ist為最大一臺電動機(jī)額定啟動電流，取100×1.15×6=690 A；∑In-1為除最大一臺電動機(jī)外所有電動機(jī)額定電流之和，45×1.15=51.8 A。計(jì)算得到過流繼電器整定動作電流值IZ為 741.8 A。為保障工作面電機(jī)安全運(yùn)行，整定值需具備一定的可靠性[9-10]。取可靠系數(shù)1.05，設(shè)定電流整定值為780 A。

最遠(yuǎn)端兩相短路電流計(jì)算見式(8)、式(9)

(8)

(9)

1.5.2 靈敏度校驗(yàn)

靈敏度系數(shù)的計(jì)算見式(10)

(10)

代值得，靈敏度系數(shù)為2.3。靈敏度系數(shù)大于1.5，整定計(jì)算值滿足靈敏性要求。

2 方案實(shí)施效果

董東煤礦50118綜掘工作面遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)方案自實(shí)施以來，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和社會效益。

2.1 滿足供電要求

董東煤礦50118綜掘工作面遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)實(shí)施后，經(jīng)實(shí)際測試，空載時變電站出口電壓為690 V，工作面控制設(shè)備處測得電壓為690 V。負(fù)載時，掘進(jìn)機(jī)顯示電壓為650 V，完全滿足設(shè)備的正常供電要求，為掘進(jìn)工作面的安全、可靠、優(yōu)質(zhì)供電提供了強(qiáng)有力的保障。

2.2 方案優(yōu)勢

該工作面長距離供電方案的有效實(shí)施，降低了輔助運(yùn)輸過程中所帶來的安全隱患。人員通行及設(shè)備運(yùn)輸更為方便，減少了巷道的運(yùn)輸壓力。降低了移動維護(hù)設(shè)備的工作量和職工的勞動強(qiáng)度，大大提高了生產(chǎn)作業(yè)的效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為該礦井的安全、高效生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

為了滿足澄合董東煤礦50118掘進(jìn)工作面的供電要求，通過理論計(jì)算，確定了移動變壓器、電纜、開關(guān)的選型，并校驗(yàn)了開關(guān)保護(hù)動作的靈敏性，校驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求。實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)合理，保護(hù)動作靈敏可靠，確保了掘進(jìn)工作面供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性。同時，將移動變壓器放置于巷道口，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端供電，避免了移動變電站隨掘進(jìn)工作面頻繁移動，減少了電纜敷設(shè)等工序，大幅度降低了掘進(jìn)工作面勞動強(qiáng)度，改善了掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，具有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。