曹顺廷

(汾西矿业集团公司基建处)

综采工作面供电系统设计

曹顺廷①

(汾西矿业集团公司基建处)

随着综采工作面的大型化,大功率异步电动机使用越来越广泛,设备起动对电网的冲击也日趋明显,影响了电网的供电质量。介绍了新柳煤矿241103工作面在供电系统设计、电气设备选型及安装过程中,分别采用软起动技术、提高供电电压等级、变频调速等方法来解决这一问题,在实际使用中达到了预期效果,保证了供电的可靠性和设备正常运转,满足了生产需要。

综采工作面;供电系统设计;电气设备;变频调速;问题;方法;效果

随着煤炭工业现代化的发展,采掘工作面机械化程度越来越高,机电设备的总装机容量和单机容量在不断增加,加快了工作面的推进速度,从而使供电距离增大,给供电带来了新的问题,新的要求。因为供电电压等级一定时,输送的功率越大,电网的电压损失越大,电动机的端电压越低,直接影响用电设备的正常工作。特别是在大型综采工作面中,大功率电机动力大,提高了工作面产量。但是由于电机功率的逐渐增大,它对整个电网的冲击就越来越明显,尤其是在煤矿井下使用的大部分为鼠笼型异步电动机,它的起动电流大(一般为额定值的5～8倍,而起动转矩只为额定值的0.8～2倍),对电网冲击影响较大。汾西矿业集团公司新柳煤矿241103工作面在设计之初就遇到了这样的问题。通过在供电系统设计、电气设备选型及安装过程中,分别采用软起动技术、提高供电电压等级、变频调速等方法来解决这一问题,在实际使用中达到了预期效果,保证了供电的可靠性和设备正常运转,满足了生产需要。

1 241103工作面电气设备及供电情况

1)工作面基本情况。新柳煤矿241103工作面是重点综放工作面之一,该工作面走向1 330 m,长 198 m。运输系统长1 500余m。设备总容量4 287 kW,变压器总容量为6 050 kVA,主要设备供电电压等级为1 140 V、660 V。单机最大功率为后部刮板输送机2×400 kW,转载机功率为400 kW,前部刮板输送机2×315 kW,采煤机600 kW,破碎机250 kW, 1#乳化液泵250 kW,2#乳化液泵250 kW,1#喷雾泵45 kW,2#喷雾泵45 kW,头部皮带输送机315 kW,二部皮带输送机2×315 kW。

2)供电方式。该工作面的供电方式为:一条U GSP3×50+1×16/3电缆由四盘区变电所向运巷移动变电站供电,二条U GSP3×50+1×16/3、U GSP3×70+1×16/3电缆由四盘区变电所向材巷移动变电站供电,由移动变电站降压至1 140 V供用电设备。

2 问题的提出

1)在实际工作面供电中,运输系统负荷分散,而采面设备负荷集中,如果设备全部采用直接起动,电网电压波动较大,设备的起动与工作面的供电出现矛盾,直接影响整个采面的供电质量。

2)在实际生产应用中电机能否直接起动,取决于供电距离、电压等级、电缆截面、电网容量的大小等。在选用的电动机由移变供电时,不经常起动的电动机其容量一般不宜超过变压器容量的30%。经常起动的电动机,其容量则不宜超过变压器容量的20%。

3)以工作面设备为例,后部刮板运输机2×400 kW双机直接起动时对电网的冲击很严重,不但影响同一处供电的其它设备,重载起动时甚至会影响到井下盘区变电所。

4)以带式输送机为例(功率2×315 kW)全压起动按理论数值计算至少需要容量2 100 kVA、电压1 140 V变压器供电才能正常启动,这样增加了空载损耗、功率因数降低、增大设备投入。既浪费了设备,又因变压器损失浪费了电能。

3 解决方法

在241103工作面供电设计、安装过程中,根据具体情况,对于工作面设备、运输系统设备,根据性能及使用情况按如下方式予以解决。具体设备布置情况见表1。

表1 1 140 V系统设备供电及起动方式一览表

1)对于功率相对较小,对电网冲击不大的设备,采用直接起动方式。如工作面破碎机250 kW就采用带延时直接起动的方式。直接起动即全压起动是一种简单的起动方法,起动时不需特殊的装置,直接起动操作简单经济实用,在煤炭生产中多数异步电动机一般采用这种方式起动。

2)对于功率较大并且能够空载起动对起动、转矩要求不特别严格的电机,采用降压起动方式。如运输系统中的后部刮板输送机,由于矿用鼠笼型异步电动机不能采用在转子电路中加入起动电阻的方法改善起动性能,只能靠降低外施电压这种方式来达到减少起动电流的目的。在煤矿井下工作面生产中因要求调速条件不高,所以较适用上述方式,但这种方式起动性能较差。该矿在241103工作面供电实际应用中,为防止电机直接起动对电网的冲击,采用浙江中煤矿业有限公司生产的QJ Z-400/1140R型软起动器,这种设备起动器以反并联的三组大功率晶闸管为软开关,其软起动核心由改装后的英国欧陆SSD-591传动控制器和监控版RQD4-C组成,由ZCS-1或KCS系列带速传感器构成速度反馈外闭环,电流反馈作为内闭环调节系统,来控制大功率晶闸管元件,在电动机启动过程完成后,由监控板RQD4-C控制旁路交流接触器吸合,短接所有的晶闸管,使电机直接投入电网全压运行。在正常运转过程中,具有磁力起动器的所有保护功能。采用这种启动方式,电机起动时能够平稳运行,起动电流小,对电网冲击不大。既减少了大功率电机对电网的冲击,又保证了刮板输送机起动的平稳。

3)对于功率大、负荷集中并且必须重载起动的电机,采用提高电压等级和变频调速的方法来减少对电网的冲击。如工作面皮带输送机最大功率2×315 kW,起动时要求起动转矩大。因此,选用唐山开诚电器有限责任公司生产的ZJ T型矿业隔爆兼本质变频调试装置,ZJ T系列隔爆变频具备的保护功能过流、过/欠压、过载、变频过温、电机过温、内部故障、漏电闭锁、输出短路保护、具有超导热管散热技术。选用的主要器件为高品质进口器件,IGBT为德国西门子半导体公司EUPEC分公司产品,630 kW/1 140 V选用3 300 V DC 400 A三模块并联(最大工作能力可达750 kW),总冲击电流可达1 800 A,可形成启动转矩为额定的2～3倍,这样解决了皮带重载起动、大电流冲击。控制系统采用无速度传感器矢量控制技术,软件技术与德国合作开发,驱动系统采用光纤驱动系统。在功率平衡方面,自动调整各驱动电机之间的功率分配,从而达到系统的最佳工作状态。输出电缆采用屏蔽电缆以消除变频器输出的高频对其它电子设备的干扰。变频器与操作控制室的信号良好隔离、采用屏蔽控制电缆连接。变频内部安装输入电抗器,以减小对电网的谐波干扰。对于输出电缆长度的影响,内部配置正弦波滤波器,并加装输出电抗器,并采用软开关技术。使输出电压电流均为正弦波,降低了由于输出电缆影响造成的电机过电压问题。1 140 V/630 kW输出电缆可长达500 m,由于工作面的供电距离较远,电压波动较为严重,为了适应现场条件,改变控制软件,变频器的电压波动设置范围可达到75%～125%,在该波动范围内,变频器自动调整输出电压以保证恒定的输出电压,解决了电压波动问题。通过改变电源频率来改变交流电机运转速度的驱动器。

4)供电系统的完善。对于供电系统,针对241103工作面可采储量180万t以上水平及工作面设备特点。选用双回路电源供电,电源由四盘区变电所供电,四盘区变电所电源来自西辛庄35 kV变电站603、604高压开关柜供电,正常情况下分列运行,确保了供电可靠。

4 实际效果

241103工作面自2007年11月正式投产以来,在各种设备频繁起动的情况下,供电质量保持良好,对整个供电系统冲击不大,没有波及到同一线路中的其它设备。每天产量保持在6 000 t左右。

5 结 论

在新柳矿241103综采工作面的供电优化设计中,采用软起动技术、提高供电电压等级、变频调速等方法,不仅保证了供电质量,而且还降低了电网输电损耗。随着国民经济的发展,对能源的需求也日益增长,煤炭事业的发展越来越快,设备越来越趋于大型化,根据设备的使用地点、具体参数、供电系统的情况,只有选择合理的供电方案及电气设备,才能满足煤矿生产的需要。

[1] 高亚军.浅谈采煤工作面的供电[J].科协论坛,2007(11):13-15.

Fully Mechanized Coal Mining Face Power Supply System

Cao Shun-ting

With the fully mechanized coal mining face large scale,more widely used high-power induction motors,equipment start its impact on power has become more evident,affect the quality of the electricity grid.Introduces the new power supply system of 241103 face in Xiliu mine,electrical equipment selection and installation process,were used to soft start technology,improve power supply voltage,frequency control and other methods to solve this problem,in actual use reached a expected results,ensure power supply reliability and normal operation of equipment,meet production needs.

Fully mechanized coal mining face;Power supply system desigin;Electrical equipment; Frequency Control;Problem;Method;Effect

book=4,ebook=117

TD611

B

1672-0652(2010)04-0013-03

2010-03-18

曹顺廷 男 1973年出生 2006年毕业于天津大学 工程师 介休 032000