高壓變頻遠控技術在井下設備地面化中的設計應用

王慶洲，許 濤

（山東兗礦設計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機采用4 臺10 kV 800 kW 礦用隔爆型三相異步電機作為驅動電機，采用減速器+液體粘性軟啟動方式。

在實際生產中，時常會因為頻繁啟動、過載啟動導致液粘系統油溫過高，因為采用風冷，當溫度過高時啟動性能變差。另外由于采用電液控系統，液壓系統及軟啟動裝置時常發生漏油故障，維護量大。這些問題都會導致液體粘性軟啟動裝置啟動效果變差，甚至造成電機燒毀從而影響生產。

同時因液粘軟啟動電氣故障點較多，每月因各種電氣及傳感器故障影響主運皮帶運行約2 h 以上，且故障多發于正常生產的中班及夜班，檢修人員到現場處理故障時間較長，嚴重影響礦井正常生產。目前主運輸送機驅動處空間狹小，設備空間占比較大，設備出現故障時，沒有合適的空間進行運輸。液粘軟啟動及減速器維護量較大，每天檢修時間必須安排專人進行維護保養，定期進行補油換油，材料消耗較大。另外駐外單位人員配備較少，嚴重制約主運皮帶其他檢修工作。

據市場調研，原廠家已不再生產液粘有關配件，其服務保障能力降低。

綜合以上分析可以看出，現在的驅動形式是影響輸送機整機可靠性的薄弱環節，已不能滿足礦井主運輸安全生產的要求。設計將石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機配電及主控系統移至地面，建設一座智能型10 kV 開關站，采用普通型高壓變頻器，實現對井下帶式輸送機在地面直接驅動供電、遠程集中控制。

1 改造方案

結合石拉烏素煤礦現場情況，分別從驅動改造方案、配電室布置方案、投資費用、施工難度、對礦井安全生產的影響等方面進行了綜合比較。提出4 種改造方案。

方案一：將驅動電機更換為高壓防爆變頻電機，并安裝其配套的附屬設備。新建10 kV 地面開關站一座，作為主運皮帶機配電室，設置在主井塔5 層（21.3 m）。驅動電機啟動方式為變頻啟動。自新建10 kV 地面開關站新敷設4 回MYJV42-8.7/10 kV-3×70 型電力電纜（每回850 m），經主井井筒至主運皮帶通風孔，敷設至皮帶機頭。

方案二：將驅動電機更換為高壓防爆變頻電機。對皮帶機頭變電所進行擴容改造，安裝4 臺隔爆型10 kV 變頻器，將現有4 臺QJGZ-100/10 磁力啟動器更換為4 臺PJG-10 高壓防爆開關,電力電纜可利用現有的。

方案三：將驅動電機更換為4 臺3 300 V 防爆變頻電動機。對皮帶機頭變電所進行擴容改造，安裝4 臺KBSG-1600/10/3.45kV 型礦用隔爆干式變壓器，4 臺1 000 kW/3 300 V 隔爆變頻器，將現有磁力啟動器更換為PJG-10 高壓防爆開關。

方案四：將驅動電機更換為高壓防爆變頻電機。利用井底車場膠輪車存放硐室作為配電室，選用礦用一般型10 kV 高壓開關柜及變頻器柜，總電源電纜利用現有的，負荷電纜采用鉆孔方式敷設至驅動電機附近。

方案比選詳見表1。

表1 方案比選表

通過以上對比，方案一具備安全性高、日常維護簡單、開關站智能化程度高、投資低等優點，并且可以優化礦井供電系統，實現主運皮帶地面直接驅動供電、遠程集中控制，提高礦井主運皮帶的供電可靠性。

2 變頻器的選擇及控制方案

2.1 變頻器的選擇及一次接線

變頻器是產生諧波的根源，變頻器的結構、控制方式和質量直接影響輸出波質量。 選擇新風光電子JD-BP37/38-F 系列高壓變頻器，電壓等級為10 kV。變頻器設置在地面，故選用非防爆的變頻器。由于變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，帶式輸送機可能處于重載啟動的狀態，設計選取大一擋變頻器，即JD-BP37/38-F，1 000 kW 型。

2.2 變頻器控制方案

主回路采取一拖一自動控制方案，對于四機驅動的皮帶機變頻控制，為有效實現電機的負載平衡控制，高壓變頻調速系統采用主-從方式進行控制。采用4 臺1 000 kW 變頻器分別控制4 臺800 kW 高壓電機，如圖1 所示，選用1 號變頻器為主變頻器，2、3、4 號變頻器為從變頻器，由操作臺發給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間采用ModBus 總線通信，1 號變頻器作為主控，檢測1～4 號電機的運行電流，發出輸出轉矩給定值，控制2～4 號從變頻調速系統同步運行。

圖1 皮帶機變頻器主從控制簡圖

主控高壓變頻調速系統和從控高壓變頻調速系統均有外部信號連鎖控制和狀態、報警邏輯信號輸出，主控高壓變頻調速系統接收本地或者遠程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調速系統的“緊急停機”指令，從控高壓變頻調速系統接收來自主控高壓變頻調速系統的“啟動”和“緊急停機”指令，同時接收從控高壓變頻調速系統本地或者遠程聯動的“緊急停機”指令。在4 臺高壓變頻調速系統的PLC 邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得4 臺高壓變頻調速系統同時啟動，同時停機。

3 電力電纜的選擇及敷設

3.1 地面開關站進線電源電纜的選擇

考慮為了滿足4 臺800 kW 驅動電機及1 臺200 kVA 所用變壓器運行的供電能力：

1）按允許載流量選擇電纜截面。

試選用MYJV22-8.7/15kV-3×120 電力電纜。

2）按經濟電流密度校驗。

3）按電壓損失校驗。

ΔU% =KPL= 0.192 %×3.4×0.3 =0.2 %，滿足要求。

地面開關站進線電源電纜選用MYJV22-8.7/15kV-3×120 電力電纜，一用一備。

3.2 帶式輸送機驅動電源電纜的選擇

1）按允許載流量選擇電纜截面。

試選用MYJV42-8.7/15kV-3×50 電力電纜。

2）按經濟電流密度校驗：

3）按電壓損失校驗。

ΔU% =KPL= 0.325 %×0.8×0.85 + 0.2 % =0.42%，滿足要求。

根據以上選型計算， 可選用MYJV42-8.7/15kV-3×50 電力電纜作為帶式輸送機驅動電機電源電纜，考慮后期帶式輸送機驅動電機升級及主井筒運行環境較差，設計將下井電纜截面升級一規格，即選用MYJV42-8.7/15kV-3×70 電力電纜作為帶式輸送機驅動電機電源電纜，沿主井井筒敷設。

石拉烏素煤礦主井井筒尚有空間敷設下井電纜。設計在井筒北側罐道支撐梁上新增電纜托架，電纜托架間距5 m，采用抱箍固定在罐道支撐梁上。井筒內敷設電纜至主運皮帶通風孔，穿過通風孔吊掛敷設至皮帶機頭。

4 帶式輸送機自動化控制

東翼2-2 中膠帶大巷輸送機采用1 套膠帶機綜合保護控制裝置，實現對帶式輸送機及相關設備的集中控制。電控系統主要由礦用隔爆兼本質安全型控制箱、操作臺和保護系統等組成,能夠可靠的實現膠帶輸送機的起動預警、停車、緊急停車、故障保護等功能，另外還可控制給煤機與本機之間、本機與前后級設備之間相互聯鎖。

輸送機保護系統可實現膠帶輸送機的急停、跑偏、煙霧、堆煤、縱撕、超溫灑水（超溫灑水應包含灑水管路及噴頭等）和膠帶機沿線語音通信等功能。系統具有保護屏蔽功能。用戶可以根據實際需要配備不同的保護傳感器。當配備的某臺傳感器本身出現損壞或是其他故障時，而由于生產需要必須開車，此時，被授權者在輸入密碼后可以選擇暫時屏蔽掉出現問題的那臺保護傳感器，待修復之后再重新加入進去。本工程保護傳感器為現有設備。

電控系統通過與變頻器啟動裝置相配合，可實現帶式輸送機軟起動，主機空載起動，從而減少負載沖擊，提高膠帶壽命。

改造后，井下現場保留操作臺，主井集控室設置上位機，預留通訊接口，接入礦井現有機電集控系統。

將皮帶機頭變電所低壓配電開關更換為帶通訊功能防爆6 組合開關，可以實現地面遠程控制。

為保障地面和井下通訊的穩定性，設計在主井和副井分別敷設1 根24 芯GYXTW 鎧裝光纜，主副井之間形成環網。

5 效益分析

5.1 經濟效益

對石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機技術改造是可以加快安全、高速礦井的建設速度，該項目實施后可以有效的減少日常作業流程，降低職工的勞動強度、提高職工的工作效率。

將配電控制系統放置在地面，實現地面直接驅動供電、遠程集中控制，可以減少現場操作和巡檢人員4 人。按照井下職工每人每年15 萬元收入計算，一年可為礦井節約人工成本60 萬元。

項目采用了變頻和自動控制技術，實現了變頻控制，帶式輸送機以極低轉速運行就能滿足運輸要求，其機械、電氣沖擊和機械磨損大大減少，故障率降低，其使用壽命大大提高，系統的綜合節電率達到40%以上，產生的經濟效益顯著。

5.2 社會效益

對石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機技術改造，優化礦井供電系統，實現膠帶大巷帶式輸送機地面直接驅動供電、遠程集中控制，進一步增強礦井智能化程度，是今后建設“安全、綠色、智能、高效”四型礦井的必然選擇。

高壓配電設備安裝在地面，配電室內的環境方便實時監控并根據需要進行調節，可以有效的延長設備壽命，降低日常維護、維修成本。采用變頻啟動后，電機實現了軟啟動，可以在零速零電壓啟動，直到達到工作電流為止。減少電機啟動對電網的沖擊，提高了礦井供電的可靠性。

5.3 推廣應用前景

該方案解決了高壓變頻遠距離控制技術在井下機電設備地面化中的應用問題，實現膠帶大巷帶式輸送機地面直接驅動供電、遠程集中控制，進一步增強礦井智能化程度應用前景廣泛。

6 結 語

將高壓變頻遠距離控制技術應用在井下機電設備地面化項目中，通過實施井下機電設備地面化改造，可以取消機頭配電點高壓配電裝置，優化礦井供電系統，實現主驅動電機地面直接驅動供電、遠程集中控制，提高礦井自動化程度,減少井下現場操作和巡檢人員。