梁 晉

（同煤集團(tuán)煤峪口礦， 山西 大同 037000）

1 煤礦供電系統(tǒng)概述

煤礦供電系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：礦井地面變電所、井下中央變電所、采區(qū)變電所和工作面配電點(diǎn)。外部電網(wǎng)將110 kV的高壓電輸送到礦井地面變電所，在變電所內(nèi)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(jìn)行降壓至1 140 V，一部分為其附近的用電負(fù)載供電，另一部分輸送至采區(qū)變電所。采區(qū)變電所位于工作面旁，能夠?qū)? 140 V電壓降至380 V，為工作面配電點(diǎn)供電，也可以直接將1 140 V高壓輸送至工作面的移動(dòng)變電站，由移動(dòng)變電站進(jìn)行降壓，為綜采工作面用電負(fù)載供電，這樣可以減小輸電時(shí)的電能損失。工作面配電點(diǎn)是電力系統(tǒng)的末端，位于工作面50～70 m處，是用電負(fù)載的聚集處。

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

1）過流保護(hù)。用電設(shè)備的電流過大會(huì)導(dǎo)致絕緣材料的老化，降低設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能造成短路，短路電流瞬時(shí)值會(huì)達(dá)到上千安培，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成巨大破壞，因此需要設(shè)置過流保護(hù)裝置。

2）漏電保護(hù)。由于井下空間狹小，電纜容易受到碰撞，外皮可能會(huì)發(fā)生破損，產(chǎn)生漏電，會(huì)危及作業(yè)人員，甚至?xí)鹜咚贡?。為了防止此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須安裝漏電保護(hù)裝置，并且要定期對(duì)電纜進(jìn)行檢查，及時(shí)排除安全隱患。

3）接地保護(hù)。機(jī)電設(shè)備的外殼若沒有接地，與內(nèi)部電纜接觸后可能會(huì)使外殼帶電，可能會(huì)造成觸電事故，因此井下所有電力設(shè)備都要進(jìn)行接地保護(hù)，且接地電阻值不能超過規(guī)范要求。

2 煤層開采用電負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)

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(tǒng)。用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)是設(shè)計(jì)煤層開采供電系統(tǒng)的前期重要工作，是變壓器等設(shè)備的選型依據(jù)，是后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)[2]。目前用電負(fù)荷主要的統(tǒng)計(jì)方法有二項(xiàng)式法和需用系數(shù)法兩種，前者模型復(fù)雜，計(jì)算量大，使用較少，而后者得到了廣泛的應(yīng)用。需用系數(shù)是指用電設(shè)備組長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的平均功率與負(fù)荷組總?cè)萘康谋戎?，需用系?shù)法的關(guān)鍵是使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)確定各用電設(shè)備組的需用系數(shù)，計(jì)算公式如式（1）：

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

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

采用這種計(jì)算方法可以計(jì)算出各設(shè)備組的需用系數(shù)，但計(jì)算較為復(fù)雜。由于煤層開采時(shí)的設(shè)備基本相同，在大采高綜采工作面采用的設(shè)備大同小異，工程上經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行需用系數(shù)的確定，如下頁表1所示。

確定設(shè)備組的需用系數(shù)之后，與所有用電設(shè)備的額定功率之和相乘，即可得到用電設(shè)備組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的最大有功功率，它是后續(xù)進(jìn)行設(shè)備選型的重要參數(shù)。

表1 煤層開采用電設(shè)備組的經(jīng)驗(yàn)需用系數(shù)

3 重要設(shè)備選型的計(jì)算

3.1 變壓器容量的計(jì)算

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

3.2 電纜選型的計(jì)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(zhǎng)時(shí)載流量要求

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

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

從電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中可以查到不同截面積，不同材質(zhì)的電纜在25℃時(shí)的最大允許長(zhǎng)時(shí)載流量IP。由于井下環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度不符，因此在計(jì)算電纜長(zhǎng)時(shí)載流量時(shí)還要考慮溫度的影響，引入溫度修正系數(shù)Kt來修正電纜允許長(zhǎng)時(shí)載流量I'P：

溫度修正系數(shù)Kt的數(shù)值見表2。

電纜允許長(zhǎng)時(shí)載流量I'P應(yīng)大于等于計(jì)算得出的電纜長(zhǎng)時(shí)工作電流Ica。

表2 溫度修正系數(shù)Kt的取值

3.2.2 滿足機(jī)械強(qiáng)度要求

在工作面敷設(shè)的電纜需要隨著工作面的推進(jìn)進(jìn)行拖拽，有時(shí)還會(huì)受到片幫的壓砸或是其他的外力作用，電纜的機(jī)械強(qiáng)度不夠，容易使電纜被拉斷，造成供電故障，因此在選型時(shí)需要對(duì)電纜的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行校核，不同井下機(jī)電設(shè)備所需滿足的電纜最小截面積如表3所示。

表3 不同設(shè)備允許使用電纜的最小截面積

在必要時(shí)還可以選擇鎧裝電纜以保證電纜的機(jī)械強(qiáng)度。

以某礦為例，綜采工作面的需用系數(shù)取0.65，負(fù)荷經(jīng)統(tǒng)計(jì)后，總的負(fù)荷為255.9 kVA。首先確定變壓器容量，查詢變壓器型號(hào)對(duì)照表，選擇315 kVA容量的變壓器較為合適，此時(shí)負(fù)荷率為81.24%，有一定富裕度又不會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。然后進(jìn)行低壓電纜的選擇，代入式（5）進(jìn)行計(jì)算，長(zhǎng)時(shí)載流量為198 A，查詢電纜最大允許長(zhǎng)時(shí)載流量并進(jìn)行溫度系數(shù)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(shí)的長(zhǎng)時(shí)載流量，且超過采煤機(jī)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(shè)備選型完成。

4 結(jié)論

井下供電系統(tǒng)必須滿足生產(chǎn)需要，其運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。供電系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運(yùn)行是煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，是煤層開采機(jī)械化、智能化的重要保障，其前提條件是設(shè)計(jì)合理的煤礦供電系統(tǒng)。