崔廣闊，萬(wàn)孟合

(神東煤炭集團(tuán)教育培訓(xùn)中心，陜西 榆林 719315)

0 引言

煤礦主運(yùn)輸設(shè)備采用膠帶式輸送機(jī)是神府礦區(qū)最常用的做法，膠帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)方式、電控方式也日趨成熟，采用變頻驅(qū)動(dòng)已經(jīng)是目前的主流技術(shù)，工程造價(jià)適中，節(jié)能效果明顯[1]。但隨著神府礦區(qū)的深部開(kāi)采，煤礦產(chǎn)量的日益增大，對(duì)于膠帶輸送機(jī)的功率、電壓也隨之增加。因此選用控制可靠、性能優(yōu)良、價(jià)格合理的電控設(shè)備也至關(guān)重要。

1 項(xiàng)目背景

大柳塔煤礦地處神府東勝礦區(qū)的神府區(qū)，位于陜西省神木市境內(nèi)，神木市西北向約52.5 km烏蘭木倫河?xùn)|側(cè)，行政區(qū)劃隸屬于神木市大柳塔鎮(zhèn)管轄。大柳塔煤礦是神東煤炭分公司首個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)礦井。井田東西長(zhǎng)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(jī)作為大柳塔煤礦5-2煤開(kāi)采延伸大巷主運(yùn)輸膠帶機(jī)，該膠帶機(jī)安裝于5-2煤主運(yùn)大巷內(nèi)，與5-2煤主井膠帶機(jī)搭接，機(jī)長(zhǎng)8 700 m。該機(jī)為近水平運(yùn)輸膠帶機(jī)，提升高度為-30 m，運(yùn)量為4 500 t/h，帶寬1 800 mm，帶速4.5 m/s，總裝機(jī)功率為7 000 kW，采用頭驅(qū)+中驅(qū)方式。該膠帶機(jī)為國(guó)內(nèi)井工礦井最長(zhǎng)運(yùn)輸距離的整部膠帶機(jī)。其重要性不言而喻，因此電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、先進(jìn)性也尤為重要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 啟動(dòng)方式

目前變頻啟動(dòng)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用技術(shù)成熟，可靠[2]。文中不再對(duì)啟動(dòng)方式的選擇加以贅述。大柳塔煤礦5-2煤主運(yùn)大巷膠帶機(jī)主電機(jī)選用變頻啟動(dòng)方案。

2.2 變頻拖動(dòng)方案選擇

該膠帶機(jī)屬于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)，是礦井的關(guān)鍵設(shè)備[3]，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定該膠帶機(jī)采用變頻拖動(dòng)，針對(duì)本膠帶機(jī)裝機(jī)功率大的特點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)提出以下3種變頻拖動(dòng)方案。

方案1：采用青島天信生產(chǎn)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(jī)功率為1 000 kW。設(shè)備采用12脈沖整流，有效降低網(wǎng)側(cè)諧波含量，已取得國(guó)家礦用防爆本質(zhì)安全證書，可直接應(yīng)用煤礦井下。設(shè)備具有多路模擬量輸入、輸出及I/O接口可方便地完成對(duì)外部的控制功能及接收外部控制信號(hào)，單獨(dú)使用時(shí)，完全可以完成整部膠帶機(jī)的控制。設(shè)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(shù)、報(bào)警值等信息，可通過(guò)屏幕完成各種設(shè)置與操作，可利用鍵盤進(jìn)行各種控制操作及參數(shù)設(shè)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(jī)監(jiān)控的溫度等顯示功能。但這種大功率變頻器在國(guó)內(nèi)首次使用，成為其主要缺點(diǎn)。

方案2：采用德國(guó)Breuer公司的變頻一體電機(jī)。該類變頻器供電電壓為1 140 V，控制電機(jī)功率為1 000 kW，在德國(guó)、英國(guó)、斯洛文尼亞廣泛應(yīng)用于大功率膠帶輸送機(jī)、刮板機(jī)的控制。2009年首次在國(guó)內(nèi)應(yīng)用于神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦3-1煤大巷二部膠帶機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用情況良好，該設(shè)備整裝進(jìn)口于德國(guó)，昂貴的價(jià)格成為該類產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的制約因素。

方案3：采用ABB的ACS1000型一般型變頻調(diào)速裝置地面控制，變頻電機(jī)電源通過(guò)垂直鉆孔敷設(shè)至井下驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該類變頻器供電電壓3 300 V，控制電機(jī)功率范圍800～2 000 kW，廣泛應(yīng)用于主井提升大功率電機(jī)的控制，該方案中變頻器在地面選址新建配電室，并通過(guò)電纜鉆孔將長(zhǎng)距離的電機(jī)電纜輸送至井下膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)部。其主要缺點(diǎn)為：驅(qū)動(dòng)部的主電機(jī)冷卻風(fēng)扇等輔機(jī)由于供電電壓的限制而不允許長(zhǎng)距離輸電，只能就地設(shè)置配電點(diǎn)；主電機(jī)電氣控制設(shè)備距離驅(qū)動(dòng)部較遠(yuǎn)，不利于設(shè)備檢修、巡檢；輔機(jī)電源與主電機(jī)電源由兩個(gè)配電點(diǎn)提供，增加供電不同期停電率；主機(jī)電纜需要通過(guò)鉆孔敷設(shè)，當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時(shí)，更換困難。

以上3種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比詳見(jiàn)表1。經(jīng)綜合對(duì)比，方案2經(jīng)濟(jì)性較差，方案3系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需地面井下結(jié)合控制使用，而方案1經(jīng)濟(jì)性適中，系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jī)變頻拖動(dòng)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻器控制：采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式(DTC)，轉(zhuǎn)矩和速度控制精確平滑，保持皮帶動(dòng)態(tài)張力最小，減少對(duì)負(fù)載機(jī)械的沖擊。變頻器的頻率調(diào)節(jié)精度為0.1 Hz，穩(wěn)定精度為0.5%。實(shí)現(xiàn)兩象限和四象限運(yùn)行，節(jié)能降耗。能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)拖動(dòng)設(shè)備主從運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)功率平衡調(diào)節(jié)和同步拖動(dòng)。

功率平衡：多電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用主從控制，能提供精確的負(fù)載分配控制，平衡精度≤3%。不會(huì)出現(xiàn)皮帶打滑現(xiàn)象。

通信系統(tǒng)：具有CAN、Ethernet、RS485等多種通信接口，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)集中控制，并將數(shù)據(jù)傳送至地面調(diào)度室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

輸入輸出接口設(shè)計(jì)：每臺(tái)變頻器自帶12路數(shù)字、模擬I/O接口。

控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)利用井下已建千兆環(huán)網(wǎng)采集上一級(jí)膠帶機(jī)運(yùn)行信號(hào)，由控制器根據(jù)該信號(hào)發(fā)出指令進(jìn)行自動(dòng)分段調(diào)速，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)在線調(diào)速。膠帶機(jī)控制邏輯圖詳如圖1所示。

圖1 膠帶機(jī)控制邏輯圖

2.4 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)荷計(jì)算：由于在計(jì)算膠帶機(jī)主電機(jī)負(fù)荷時(shí)采用電容式儲(chǔ)能變頻器，因此變壓器選型時(shí)的負(fù)荷計(jì)算主電機(jī)功率因數(shù)為0.9，負(fù)荷計(jì)算詳見(jiàn)表2。

表2 膠帶機(jī)負(fù)荷計(jì)算表

設(shè)備選型：根據(jù)表2負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，設(shè)備選型主要在于變頻變壓器及變頻器。機(jī)頭選用1臺(tái)KBSGZY-2000/10/1.2 Yy0變壓器和1臺(tái)KBSGZY-2000/10/1.2 Yd11變壓器作為主電機(jī)的變頻變壓器，輔機(jī)電源引自5-2煤中央水泵房變電所660 V側(cè)。中驅(qū)選用1臺(tái)KBSGZY-1600/10/1.2 Yy0變壓器和1臺(tái)KBSGZY-1600/10/1.2 Yd11變壓器作為主電機(jī)的變頻變壓器，輔機(jī)電源引自5-2煤中央水泵房變電所660V側(cè)。變頻器均采用BPJ-1000/1140型礦用隔爆型變頻調(diào)速裝置，共計(jì)7臺(tái)。

電纜選型：電纜選型應(yīng)遵循《煤礦安全規(guī)程》《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》《煤礦井下供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)家相關(guān)規(guī)定。需注意電纜導(dǎo)體截面選型的步驟：①通過(guò)安全載流量初步選定電纜導(dǎo)體截面；②經(jīng)正常運(yùn)行壓降校驗(yàn)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降校驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)電流密度校驗(yàn)等綜合確定電纜導(dǎo)體截面。計(jì)算過(guò)程中應(yīng)特別注意在選用變頻器至電機(jī)負(fù)荷電纜時(shí)，功率應(yīng)按照電動(dòng)機(jī)出廠銘牌功率因數(shù)計(jì)算。本項(xiàng)目中，主電機(jī)負(fù)荷電纜選型為礦用變頻裝置用屏蔽電纜，電纜型號(hào)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(dòng)變電站低壓饋頭時(shí)應(yīng)特殊注明“可引入電纜外徑不小于70 mm”，否則將會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行接線的情況。

本項(xiàng)目在機(jī)頭配電硐室及中驅(qū)配電硐室均設(shè)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(shè)在硐室外的水溝內(nèi)作為局部接地極。在配電硐室及機(jī)頭硐室內(nèi)設(shè)置-50×5 mm扁鋼接地母線，接地母線與硐室室內(nèi)墻面垂直距離為15 mm，距室內(nèi)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(zhuǎn)彎處為0.5 m，過(guò)門、通道處采用穿鋼管暗敷。各個(gè)電氣設(shè)備的金屬外殼、鎧裝電纜的鋼帶(鋼絲)和鉛包、電纜橋架均應(yīng)通過(guò)單獨(dú)的連接導(dǎo)線直接與輔助接地母線相連接，連接導(dǎo)線的規(guī)格為斷面不小于50 mm2裸銅線。局部接地裝置通過(guò)高壓電纜內(nèi)的接地線芯與中央水泵房?jī)?nèi)的主接地網(wǎng)連接，要求實(shí)測(cè)接地電阻不大于2 Ω，如不滿足要求，應(yīng)增加人工接地極。

供檢漏保護(hù)裝置作檢驗(yàn)用的輔助接地線應(yīng)用總斷面≥10 mm2的橡套電纜，輔助接地極應(yīng)單獨(dú)設(shè)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(zhǎng)度不小于1.5 m的鋼管制成，管上應(yīng)至少鉆20個(gè)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(zhǎng)不小于500 mm的鋼管進(jìn)行埋設(shè)，供檢漏保護(hù)裝置作檢驗(yàn)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(shè)計(jì)問(wèn)題

3.1 變頻器電壓等級(jí)

首次在煤礦井下應(yīng)用國(guó)產(chǎn)1 140 V電壓等級(jí)大功率防爆變頻器，解決了以往660 V變頻器需設(shè)置多驅(qū)的問(wèn)題，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平(該項(xiàng)目若使用500 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)數(shù)量達(dá)到14驅(qū))。該產(chǎn)品第1次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦井下關(guān)鍵運(yùn)輸系統(tǒng)中，該設(shè)備與其他設(shè)備之間的協(xié)調(diào)配合還有待驗(yàn)證。

3.2 在線調(diào)速

根據(jù)以往變頻器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，變頻調(diào)速功能僅應(yīng)用于啟動(dòng)、檢修過(guò)程。本項(xiàng)目中采用通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)采集上一級(jí)膠帶機(jī)運(yùn)行信號(hào)，由控制器根據(jù)該信號(hào)發(fā)出指令進(jìn)行自動(dòng)分段調(diào)速。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速可減少輸送帶、托輥等設(shè)備的磨損，在一定程度上延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約。

3.3 通訊接口

青島天信出廠時(shí)標(biāo)配的主從通信模式為CAN、RS485電通訊接口，而由于本項(xiàng)目中膠帶機(jī)頭驅(qū)距離中驅(qū)達(dá)到5 km，標(biāo)準(zhǔn)配置的電接口無(wú)法滿足通訊距離要求，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況是廠家額外在變頻器內(nèi)部增加了光電轉(zhuǎn)換模塊，以保證頭驅(qū)、中驅(qū)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(shè)備的使用，電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，本項(xiàng)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(jié)能環(huán)保

該項(xiàng)目采用先進(jìn)的稱重傳感器，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)在線調(diào)速，避免在載輕貨情況下，電機(jī)輸出的浪費(fèi)。在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F曲線。減少電機(jī)的輸出力矩，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

配電硐室及機(jī)頭硐室采用礦用隔爆型LED照明燈具，LED節(jié)能燈采用高亮度白色發(fā)光二極管發(fā)光源，光效高、耗電少、壽命長(zhǎng)、易控制、免維護(hù)、安全環(huán)保。LED燈發(fā)熱量不高，把電能量盡可能地轉(zhuǎn)化成了光能，而普通的燈因發(fā)熱量大把許多電能轉(zhuǎn)化成了熱能，白白浪費(fèi)。對(duì)比而言，LED照明就顯得更加節(jié)能。

3.6 配電硐室

距離驅(qū)動(dòng)部300 m遠(yuǎn)規(guī)劃有大柳塔煤礦5-2煤中央水泵房變電所，可聯(lián)合將膠帶機(jī)電控設(shè)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(jī)頭配電硐室選取于機(jī)頭主運(yùn)大巷與輔運(yùn)大巷之間的聯(lián)巷內(nèi)。由于硐室長(zhǎng)度受限制，設(shè)備采用面對(duì)面布置方式，硐室寬度達(dá)到6.5 m，因此在支護(hù)上需特殊設(shè)計(jì)。

3.7 電纜敷設(shè)

配電硐室內(nèi)電纜沿電纜溝敷設(shè)，配電硐室至驅(qū)動(dòng)部電纜采用梯階式電纜橋架敷設(shè)。電纜橋架在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意，電纜橋架水平敷設(shè)時(shí)，橋架之間的連接頭應(yīng)盡量設(shè)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(shí)，采用頂?shù)跣桶惭b方式；動(dòng)力電纜之間的距離不應(yīng)小于1/4電纜的直徑；電纜橋架應(yīng)與水管分兩側(cè)布置，如需同側(cè)布置時(shí)，電纜橋架應(yīng)至少距水管上方300 mm位置安裝；電纜橋架裝置應(yīng)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(nèi)應(yīng)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(lián))起來(lái)，與總接地干線相通，長(zhǎng)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(jìn)入溝、建筑物以及配電屏、開(kāi)關(guān)柜、控制屏?xí)r，應(yīng)做阻火封堵；電纜穿入保護(hù)管時(shí)管口應(yīng)密封；應(yīng)按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置阻火墻。并在阻火墻緊靠?jī)蓚?cè)不少于1.5 m區(qū)段所有電纜上涂刷防火涂料、纏阻燃包帶，或設(shè)置檔火板；防火涂層厚度應(yīng)達(dá)到1 mm。

3.9 智能化配套

目前智能化的應(yīng)用已成為當(dāng)代工業(yè)技術(shù)的趨勢(shì)，因此在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中也結(jié)合智能化技術(shù)的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)智能化膠帶機(jī)、智能化礦井做技術(shù)支持。本項(xiàng)目中膠帶機(jī)配置一套KTC101系列的保護(hù)控制器，用以檢測(cè)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、信號(hào)、并實(shí)現(xiàn)沿線通信，急停閉鎖等功能。本項(xiàng)目應(yīng)用光纖測(cè)溫系統(tǒng)用以檢測(cè)膠帶輸送機(jī)沿線的溫度異常情況。本項(xiàng)目利用礦井工業(yè)視頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控膠帶輸送機(jī)的直觀狀態(tài)，并采用先進(jìn)的視頻分析軟件直接對(duì)貨載異物進(jìn)行告警，達(dá)到防撕裂保護(hù)的目的。

4 項(xiàng)目取得成果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.1 項(xiàng)目成果

大功率隔爆變頻器應(yīng)用：首次在煤礦井下使用國(guó)產(chǎn)1 140 V隔爆變頻器，相比于使用進(jìn)口變頻一體電機(jī)方案，電氣工程費(fèi)用節(jié)省約25%。

長(zhǎng)膠帶多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)：大柳塔煤礦5-2煤主運(yùn)大巷膠帶機(jī)整機(jī)長(zhǎng)度8 700 m，是目前井工礦中膠帶輸送機(jī)整機(jī)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的膠帶機(jī)。

自動(dòng)調(diào)速：本項(xiàng)目中采用通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)采集上一級(jí)膠帶機(jī)運(yùn)行信號(hào)，由控制器根據(jù)該信號(hào)發(fā)出指令進(jìn)行自動(dòng)分段調(diào)速。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速可減少輸送帶、托輥等設(shè)備的磨損，在一定程度上延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約。

獲獎(jiǎng)：該項(xiàng)目獲得煤炭行業(yè)第17屆優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

大柳塔煤礦5-2煤主運(yùn)大巷8 700 m膠帶機(jī)自2010年投入使用以來(lái)，整機(jī)運(yùn)行良好，未出現(xiàn)任何因系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的機(jī)電設(shè)備故障。

5 結(jié)語(yǔ)

大柳塔煤礦5-2煤主運(yùn)膠帶機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一次大膽的嘗試性設(shè)計(jì)，也是一次成功的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用案例。神東敢于在大柳塔煤礦重點(diǎn)環(huán)節(jié)中第1次采用國(guó)產(chǎn)1 140 V變頻器，并且取得成功，證明了該方法的可行性。