夏樹磊

（晉能集團(tuán)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

決定采煤工作面高產(chǎn)高效的因素不僅包括設(shè)備技術(shù)的先進(jìn)性、功能的合理性，還與供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性密不可分[1-4]。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)速度的提高，煤炭需求量與日俱增，大型礦井越來越多，為了保證采煤工作面自動(dòng)化設(shè)備的正常運(yùn)行，必須配套對(duì)應(yīng)的供電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的采煤工作面的供電采用大型設(shè)備實(shí)現(xiàn)，但受到地質(zhì)條件或者采煤工作面空間等條件限制，使用過程中會(huì)對(duì)采煤工作帶來一些安全隱患[5-6]，因此本文擬設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)為采煤工作面供電，確保采煤工作面工作的順利開展。

1 采煤工作面介紹及存在的問題

某自動(dòng)化采煤工作面，采長(zhǎng)為240 m，采高為1.7～2.5 m，其煤層厚度存在較大的變化。地質(zhì)條件較為復(fù)雜多變，使煤層頂板承受巨大的壓力，尤其是采空區(qū)的頂板在壓力作用下出現(xiàn)了較大起伏，底鼓嚴(yán)重，落差已經(jīng)接近50 m，占用了巷道空間。繼續(xù)采用大型供電設(shè)備為其供電就會(huì)帶來以下問題：第一是巷道空間減小使大型供電設(shè)備的拉移較困難，且大型設(shè)備體積龐大，拉移過程較危險(xiǎn)，極易出現(xiàn)人員的傷亡、設(shè)備側(cè)翻等安全事故；第二是大型供電設(shè)備需要許多輔助設(shè)備和系統(tǒng)，在拉移或者檢修過程中的工作量較大，并且井下工作環(huán)境惡劣，無形中給運(yùn)維人員增加了工作量；第三是大型供電設(shè)備拉移過程中經(jīng)常會(huì)遇到巷道變窄或者變形等問題難以順利通過，需要進(jìn)行起底、擴(kuò)幫等工作，不僅會(huì)增加工作人員的工作量，還會(huì)提高采煤工作面的運(yùn)行成本。因此為了徹底解決上述采煤工作面所面臨的具體問題，需要徹底顛覆傳統(tǒng)采煤工作面大型供電設(shè)備的應(yīng)用模式，采用遠(yuǎn)距離供電，以此提高企業(yè)采煤工作面的生產(chǎn)效率。

2 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采煤工作面對(duì)供電系統(tǒng)的要求較高，包括電壓的穩(wěn)定、供電的保護(hù)、電流整定等，確保整個(gè)供電系統(tǒng)應(yīng)用的安全可靠。還要嚴(yán)格控制供電線路的電壓損失，嚴(yán)禁超出供電網(wǎng)絡(luò)允許范圍，同時(shí)電機(jī)的工作電壓、電纜的壓降損失等必須滿足規(guī)定要求，才能保證整個(gè)采煤工作面的正常運(yùn)行。

2.1 供電系統(tǒng)總體方案

采煤工作面所用的10 kV 電源由配電室引出，之后連接4 個(gè)高壓開關(guān)，開關(guān)額定電流為200 A，然后由MYPTJ-3×70 mm2高壓電纜將電力輸送至轉(zhuǎn)運(yùn)列車、輸送機(jī)等設(shè)備的配電室。

無軌自移設(shè)備列車處于采煤工作面的輔助進(jìn)風(fēng)順槽中1.7 km 的位置，包含列車12 輛，分別由1 號(hào)、2 號(hào)移動(dòng)變電站為其供電；刮板機(jī)的供電由位于輔助進(jìn)風(fēng)返頭位置的3 號(hào)移動(dòng)變電站完成，5 號(hào)和6 號(hào)移動(dòng)變電站為乳化液泵站提供電力；7 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)移動(dòng)變電站設(shè)置在進(jìn)風(fēng)口皮帶機(jī)頭位置，完成皮帶機(jī)以及進(jìn)、回風(fēng)水泵、絞車等的供電；將4 號(hào)移動(dòng)變電站設(shè)置在巷道交界處為注漿泵供電。采煤工作面供電原理如下頁圖1 所示，其中1 號(hào)高壓電纜主要完成1 號(hào)、2 號(hào)移動(dòng)變電站的供電，輸出3 300 V 電壓供給采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)需要的電力需求；2 號(hào)高壓電纜主要完成3 號(hào)移動(dòng)變電站的供電，輸出3 300 V 電壓供給工作刮板機(jī)所需的電力需求；3 號(hào)高壓電纜主要完成4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)移動(dòng)變電站的供電，輸出1 140 V 電壓供給乳化液泵、噴霧泵、注漿站等所需的電力需求；4 號(hào)高壓電纜主要完成7 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)移動(dòng)變電站的供電，輸出1 140 V 和660 V 電壓供給輸送機(jī)、進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、輔助進(jìn)風(fēng)等所需的電力需求。

2.2 變壓器的選擇

圖1 采煤工作面供電原理

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)中涉及多個(gè)變壓器，選擇變壓器的主要參數(shù)是容量大小，結(jié)合變壓器的工作電壓和工作容量完成變壓器型號(hào)的選擇。刮板機(jī)變壓器的工作電壓為3 300 V，考慮遠(yuǎn)距離供電的質(zhì)量和工作刮板機(jī)的用電容量需求，選擇變壓器的型號(hào)為KBSGZY-3150/10/3.3，編號(hào)為2 號(hào)；乳化液泵變壓器的工作電壓為1 200 V，選擇變壓器的型號(hào)為KBSGZY-800/10/1.2，編號(hào)為3 號(hào)；乳化液泵、噴霧泵、注水泵變壓器工作電壓為1 200 V，選擇變壓器的型號(hào)為KBSGZY-800/10/1.2，編號(hào)為5 號(hào)。

2.3 刮板機(jī)電機(jī)控制裝置的選擇

刮板機(jī)的驅(qū)動(dòng)采取雙電機(jī)模式，分別位于機(jī)頭和機(jī)尾，單個(gè)電機(jī)的功率為700 kW，最遠(yuǎn)供電距離為2 100 m，傳統(tǒng)直起開關(guān)瞬間閉合電流大約為1 200 A，不利于整定保護(hù)，同時(shí)遠(yuǎn)距離供電電路存在壓降損失，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)力矩瞬間不足的問題，因此設(shè)計(jì)中采用變頻器取代傳統(tǒng)開關(guān)對(duì)電機(jī)電路進(jìn)行控制。變頻器啟動(dòng)屬于軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過程平順、沖擊電流低、電壓波動(dòng)小，能夠有效保護(hù)電機(jī)及其相鄰電路的安全。變頻器能夠與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，達(dá)到電機(jī)自動(dòng)控制的目的，通過調(diào)整電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)整功能。變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)中的刮板機(jī)變頻器選擇型號(hào)為BPJV-3×1250/3.3，即礦用隔爆本質(zhì)安全型高壓組合變頻器，輸出端的電壓輸送距離大于2 km，設(shè)置三個(gè)輸出端口，各路滿足不大于1 250 V 電壓下的電機(jī)調(diào)速控制。該變頻器具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)平滑、自動(dòng)化程度高、外形尺寸小、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，很好滿足了采煤工作面遠(yuǎn)距離供電的要求。

2.4 電纜的選擇

電纜的選擇主要考慮電纜所承受的工作電壓及其電纜使用環(huán)境情況，首先根據(jù)遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)中電纜使用條件不同，確定各部分電纜的型號(hào)如下：系統(tǒng)中的低壓固定敷設(shè)電纜采用鎧裝電纜或者滿足使用電壓要求的橡套軟電纜；采煤作業(yè)中的手持電動(dòng)工具的供電采用滿足要求的橡套電纜；遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)中3 300 V、1 140 V 和660 V 采煤設(shè)備的供電電纜選用具有分相屏蔽功能的橡套絕緣電纜；供電系統(tǒng)中涉及照明、通信、控制功能的電纜采用鎧裝電纜或者橡套電纜，低壓用輸電線路使用銅芯型。布線過程中的電纜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：固定敷設(shè)的橡套電纜的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要比敷設(shè)巷道長(zhǎng)度多預(yù)留10%；采煤工作面內(nèi)移動(dòng)設(shè)備供電線纜長(zhǎng)度需要預(yù)留3～5 m；如果電纜中央存在接頭，需要在接頭兩側(cè)各預(yù)留3 m。電纜設(shè)計(jì)過程中截面尺寸的選擇原則如下：高壓電纜使用過程中的電損不大，未進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)分析，主要針對(duì)距離較遠(yuǎn)、容量較大電動(dòng)機(jī)用電纜，必須考慮電動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行電流或者運(yùn)行時(shí)允許的壓降損失。

3 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的應(yīng)用分析

為了驗(yàn)證遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對(duì)其應(yīng)用狀況進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如下：采煤工作面處于空載狀態(tài)時(shí)檢測(cè)得到移動(dòng)變壓器出口電壓為3 400 V，工作面配電位置的電壓為3 400 V；在采煤工作面供電系統(tǒng)供電過程中采煤機(jī)工作電壓值為3 360 V，正常運(yùn)行壓降為△Uz=88 V，啟動(dòng)瞬時(shí)壓降為△Uq=324 V；運(yùn)輸機(jī)工作電壓為3 340 V，正常運(yùn)行壓降為△Uz=101 V，啟動(dòng)瞬時(shí)壓降為△Uq=188 V。經(jīng)檢測(cè)供電系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)均能滿足設(shè)備規(guī)定的要求，可見遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足采煤工作面的供電需求。采煤工作面遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，徹底改變了傳統(tǒng)大型供電設(shè)備為采煤工作面供電的現(xiàn)狀，降低了設(shè)備運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了工作的安全性，同時(shí)遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的應(yīng)用大大降低了采煤工作面建設(shè)對(duì)地質(zhì)條件的要求，提高了采煤工作面的適應(yīng)能力，減少了設(shè)備維護(hù)時(shí)間，有利于采煤工作的安全高效推進(jìn)。

4 結(jié)語

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)能夠滿足采煤工作面的電力需求，降低了設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采煤工作面工作的安全性，對(duì)推動(dòng)我國采煤工作高產(chǎn)高效運(yùn)行意義重大。