王慶洲，許 濤

（山東兗礦設(shè)計(jì)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(jī)采用4 臺(tái)10 kV 800 kW 礦用隔爆型三相異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用減速器+液體粘性軟啟動(dòng)方式。

在實(shí)際生產(chǎn)中，時(shí)常會(huì)因?yàn)轭l繁啟動(dòng)、過載啟動(dòng)導(dǎo)致液粘系統(tǒng)油溫過高，因?yàn)椴捎蔑L(fēng)冷，當(dāng)溫度過高時(shí)啟動(dòng)性能變差。另外由于采用電液控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)及軟啟動(dòng)裝置時(shí)常發(fā)生漏油故障，維護(hù)量大。這些問題都會(huì)導(dǎo)致液體粘性軟啟動(dòng)裝置啟動(dòng)效果變差，甚至造成電機(jī)燒毀從而影響生產(chǎn)。

同時(shí)因液粘軟啟動(dòng)電氣故障點(diǎn)較多，每月因各種電氣及傳感器故障影響主運(yùn)皮帶運(yùn)行約2 h 以上，且故障多發(fā)于正常生產(chǎn)的中班及夜班，檢修人員到現(xiàn)場處理故障時(shí)間較長，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)。目前主運(yùn)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)處空間狹小，設(shè)備空間占比較大，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，沒有合適的空間進(jìn)行運(yùn)輸。液粘軟啟動(dòng)及減速器維護(hù)量較大，每天檢修時(shí)間必須安排專人進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，定期進(jìn)行補(bǔ)油換油，材料消耗較大。另外駐外單位人員配備較少，嚴(yán)重制約主運(yùn)皮帶其他檢修工作。

據(jù)市場調(diào)研，原廠家已不再生產(chǎn)液粘有關(guān)配件，其服務(wù)保障能力降低。

綜合以上分析可以看出，現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)形式是影響輸送機(jī)整機(jī)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，已不能滿足礦井主運(yùn)輸安全生產(chǎn)的要求。設(shè)計(jì)將石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機(jī)配電及主控系統(tǒng)移至地面，建設(shè)一座智能型10 kV 開關(guān)站，采用普通型高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下帶式輸送機(jī)在地面直接驅(qū)動(dòng)供電、遠(yuǎn)程集中控制。

1 改造方案

結(jié)合石拉烏素煤礦現(xiàn)場情況，分別從驅(qū)動(dòng)改造方案、配電室布置方案、投資費(fèi)用、施工難度、對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響等方面進(jìn)行了綜合比較。提出4 種改造方案。

方案一：將驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為高壓防爆變頻電機(jī)，并安裝其配套的附屬設(shè)備。新建10 kV 地面開關(guān)站一座，作為主運(yùn)皮帶機(jī)配電室，設(shè)置在主井塔5 層（21.3 m）。驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)。自新建10 kV 地面開關(guān)站新敷設(shè)4 回MYJV42-8.7/10 kV-3×70 型電力電纜（每回850 m），經(jīng)主井井筒至主運(yùn)皮帶通風(fēng)孔，敷設(shè)至皮帶機(jī)頭。

方案二：將驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為高壓防爆變頻電機(jī)。對(duì)皮帶機(jī)頭變電所進(jìn)行擴(kuò)容改造，安裝4 臺(tái)隔爆型10 kV 變頻器，將現(xiàn)有4 臺(tái)QJGZ-100/10 磁力啟動(dòng)器更換為4 臺(tái)PJG-10 高壓防爆開關(guān),電力電纜可利用現(xiàn)有的。

方案三：將驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為4 臺(tái)3 300 V 防爆變頻電動(dòng)機(jī)。對(duì)皮帶機(jī)頭變電所進(jìn)行擴(kuò)容改造，安裝4 臺(tái)KBSG-1600/10/3.45kV 型礦用隔爆干式變壓器，4 臺(tái)1 000 kW/3 300 V 隔爆變頻器，將現(xiàn)有磁力啟動(dòng)器更換為PJG-10 高壓防爆開關(guān)。

方案四：將驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為高壓防爆變頻電機(jī)。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(guān)柜及變頻器柜，總電源電纜利用現(xiàn)有的，負(fù)荷電纜采用鉆孔方式敷設(shè)至驅(qū)動(dòng)電機(jī)附近。

方案比選詳見表1。

表1 方案比選表

通過以上對(duì)比，方案一具備安全性高、日常維護(hù)簡單、開關(guān)站智能化程度高、投資低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以優(yōu)化礦井供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)皮帶地面直接驅(qū)動(dòng)供電、遠(yuǎn)程集中控制，提高礦井主運(yùn)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(chǎn)生諧波的根源，變頻器的結(jié)構(gòu)、控制方式和質(zhì)量直接影響輸出波質(zhì)量。 選擇新風(fēng)光電子JD-BP37/38-F 系列高壓變頻器，電壓等級(jí)為10 kV。變頻器設(shè)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(jī)可能處于重載啟動(dòng)的狀態(tài)，設(shè)計(jì)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(dòng)控制方案，對(duì)于四機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)變頻控制，為有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的負(fù)載平衡控制，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主-從方式進(jìn)行控制。采用4 臺(tái)1 000 kW 變頻器分別控制4 臺(tái)800 kW 高壓電機(jī)，如圖1 所示，選用1 號(hào)變頻器為主變頻器，2、3、4 號(hào)變頻器為從變頻器，由操作臺(tái)發(fā)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(hào)變頻器作為主控，檢測1～4 號(hào)電機(jī)的運(yùn)行電流，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制2～4 號(hào)從變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運(yùn)行。

圖1 皮帶機(jī)變頻器主從控制簡圖

主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號(hào)連鎖控制和狀態(tài)、報(bào)警邏輯信號(hào)輸出，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動(dòng)”、“停機(jī)”和“緊急停機(jī)”指令，以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機(jī)”指令，從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來自主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動(dòng)”和“緊急停機(jī)”指令，同時(shí)接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)的“緊急停機(jī)”指令。在4 臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC 邏輯程序中進(jìn)行邏輯互鎖，使得4 臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)停機(jī)。

3 電力電纜的選擇及敷設(shè)

3.1 地面開關(guān)站進(jìn)線電源電纜的選擇

考慮為了滿足4 臺(tái)800 kW 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及1 臺(tái)200 kVA 所用變壓器運(yùn)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(jīng)濟(jì)電流密度校驗(yàn)。

3）按電壓損失校驗(yàn)。

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

地面開關(guān)站進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jīng)濟(jì)電流密度校驗(yàn)：

3）按電壓損失校驗(yàn)。

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

根據(jù)以上選型計(jì)算， 可選用MYJV42-8.7/15kV-3×50 電力電纜作為帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源電纜，考慮后期帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)升級(jí)及主井筒運(yùn)行環(huán)境較差，設(shè)計(jì)將下井電纜截面升級(jí)一規(guī)格，即選用MYJV42-8.7/15kV-3×70 電力電纜作為帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源電纜，沿主井井筒敷設(shè)。

石拉烏素煤礦主井井筒尚有空間敷設(shè)下井電纜。設(shè)計(jì)在井筒北側(cè)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(nèi)敷設(shè)電纜至主運(yùn)皮帶通風(fēng)孔，穿過通風(fēng)孔吊掛敷設(shè)至皮帶機(jī)頭。

4 帶式輸送機(jī)自動(dòng)化控制

東翼2-2 中膠帶大巷輸送機(jī)采用1 套膠帶機(jī)綜合保護(hù)控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)及相關(guān)設(shè)備的集中控制。電控系統(tǒng)主要由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱、操作臺(tái)和保護(hù)系統(tǒng)等組成,能夠可靠的實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的起動(dòng)預(yù)警、停車、緊急停車、故障保護(hù)等功能，另外還可控制給煤機(jī)與本機(jī)之間、本機(jī)與前后級(jí)設(shè)備之間相互聯(lián)鎖。

輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的急停、跑偏、煙霧、堆煤、縱撕、超溫灑水（超溫灑水應(yīng)包含灑水管路及噴頭等）和膠帶機(jī)沿線語音通信等功能。系統(tǒng)具有保護(hù)屏蔽功能。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要配備不同的保護(hù)傳感器。當(dāng)配備的某臺(tái)傳感器本身出現(xiàn)損壞或是其他故障時(shí)，而由于生產(chǎn)需要必須開車，此時(shí)，被授權(quán)者在輸入密碼后可以選擇暫時(shí)屏蔽掉出現(xiàn)問題的那臺(tái)保護(hù)傳感器，待修復(fù)之后再重新加入進(jìn)去。本工程保護(hù)傳感器為現(xiàn)有設(shè)備。

電控系統(tǒng)通過與變頻器啟動(dòng)裝置相配合，可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)軟起動(dòng)，主機(jī)空載起動(dòng)，從而減少負(fù)載沖擊，提高膠帶壽命。

改造后，井下現(xiàn)場保留操作臺(tái)，主井集控室設(shè)置上位機(jī)，預(yù)留通訊接口，接入礦井現(xiàn)有機(jī)電集控系統(tǒng)。

將皮帶機(jī)頭變電所低壓配電開關(guān)更換為帶通訊功能防爆6 組合開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制。

為保障地面和井下通訊的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)在主井和副井分別敷設(shè)1 根24 芯GYXTW 鎧裝光纜，主副井之間形成環(huán)網(wǎng)。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機(jī)技術(shù)改造是可以加快安全、高速礦井的建設(shè)速度，該項(xiàng)目實(shí)施后可以有效的減少日常作業(yè)流程，降低職工的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高職工的工作效率。

將配電控制系統(tǒng)放置在地面，實(shí)現(xiàn)地面直接驅(qū)動(dòng)供電、遠(yuǎn)程集中控制，可以減少現(xiàn)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(jì)算，一年可為礦井節(jié)約人工成本60 萬元。

項(xiàng)目采用了變頻和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變頻控制，帶式輸送機(jī)以極低轉(zhuǎn)速運(yùn)行就能滿足運(yùn)輸要求，其機(jī)械、電氣沖擊和機(jī)械磨損大大減少，故障率降低，其使用壽命大大提高，系統(tǒng)的綜合節(jié)電率達(dá)到40%以上，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 社會(huì)效益

對(duì)石拉烏素煤礦東翼2-2 中膠帶大巷帶式輸送機(jī)技術(shù)改造，優(yōu)化礦井供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)膠帶大巷帶式輸送機(jī)地面直接驅(qū)動(dòng)供電、遠(yuǎn)程集中控制，進(jìn)一步增強(qiáng)礦井智能化程度，是今后建設(shè)“安全、綠色、智能、高效”四型礦井的必然選擇。

高壓配電設(shè)備安裝在地面，配電室內(nèi)的環(huán)境方便實(shí)時(shí)監(jiān)控并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以有效的延長設(shè)備壽命，降低日常維護(hù)、維修成本。采用變頻啟動(dòng)后，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，可以在零速零電壓啟動(dòng)，直到達(dá)到工作電流為止。減少電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了礦井供電的可靠性。

5.3 推廣應(yīng)用前景

該方案解決了高壓變頻遠(yuǎn)距離控制技術(shù)在井下機(jī)電設(shè)備地面化中的應(yīng)用問題，實(shí)現(xiàn)膠帶大巷帶式輸送機(jī)地面直接驅(qū)動(dòng)供電、遠(yuǎn)程集中控制，進(jìn)一步增強(qiáng)礦井智能化程度應(yīng)用前景廣泛。

6 結(jié) 語

將高壓變頻遠(yuǎn)距離控制技術(shù)應(yīng)用在井下機(jī)電設(shè)備地面化項(xiàng)目中，通過實(shí)施井下機(jī)電設(shè)備地面化改造，可以取消機(jī)頭配電點(diǎn)高壓配電裝置，優(yōu)化礦井供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)地面直接驅(qū)動(dòng)供電、遠(yuǎn)程集中控制，提高礦井自動(dòng)化程度,減少井下現(xiàn)場操作和巡檢人員。