采煤工作面远距离供电系统的设计与应用

2020-08-21夏树磊

机械管理开发 2020年7期

夏树磊

（晋能集团大同有限公司，山西大同 037000）

引言

决定采煤工作面高产高效的因素不仅包括设备技术的先进性、功能的合理性，还与供电系统的稳定性和可靠性密不可分[1-4]。随着我国现代化建设速度的提高，煤炭需求量与日俱增，大型矿井越来越多，为了保证采煤工作面自动化设备的正常运行，必须配套对应的供电系统。传统的采煤工作面的供电采用大型设备实现，但受到地质条件或者采煤工作面空间等条件限制，使用过程中会对采煤工作带来一些安全隐患[5-6]，因此本文拟设计远距离供电系统为采煤工作面供电，确保采煤工作面工作的顺利开展。

1 采煤工作面介绍及存在的问题

某自动化采煤工作面，采长为240 m，采高为1.7～2.5 m，其煤层厚度存在较大的变化。地质条件较为复杂多变，使煤层顶板承受巨大的压力，尤其是采空区的顶板在压力作用下出现了较大起伏，底鼓严重，落差已经接近50 m，占用了巷道空间。继续采用大型供电设备为其供电就会带来以下问题：第一是巷道空间减小使大型供电设备的拉移较困难，且大型设备体积庞大，拉移过程较危险，极易出现人员的伤亡、设备侧翻等安全事故；第二是大型供电设备需要许多辅助设备和系统，在拉移或者检修过程中的工作量较大，并且井下工作环境恶劣，无形中给运维人员增加了工作量；第三是大型供电设备拉移过程中经常会遇到巷道变窄或者变形等问题难以顺利通过，需要进行起底、扩帮等工作，不仅会增加工作人员的工作量，还会提高采煤工作面的运行成本。因此为了彻底解决上述采煤工作面所面临的具体问题，需要彻底颠覆传统采煤工作面大型供电设备的应用模式，采用远距离供电，以此提高企业采煤工作面的生产效率。

2 远距离供电系统的设计

采煤工作面对供电系统的要求较高，包括电压的稳定、供电的保护、电流整定等，确保整个供电系统应用的安全可靠。还要严格控制供电线路的电压损失，严禁超出供电网络允许范围，同时电机的工作电压、电缆的压降损失等必须满足规定要求，才能保证整个采煤工作面的正常运行。

2.1 供电系统总体方案

采煤工作面所用的10 kV 电源由配电室引出，之后连接4 个高压开关，开关额定电流为200 A，然后由MYPTJ-3×70 mm2高压电缆将电力输送至转运列车、输送机等设备的配电室。

无轨自移设备列车处于采煤工作面的辅助进风顺槽中1.7 km 的位置，包含列车12 辆，分别由1 号、2 号移动变电站为其供电；刮板机的供电由位于辅助进风返头位置的3 号移动变电站完成，5 号和6 号移动变电站为乳化液泵站提供电力；7 号、8 号、9 号移动变电站设置在进风口皮带机头位置，完成皮带机以及进、回风水泵、绞车等的供电；将4 号移动变电站设置在巷道交界处为注浆泵供电。采煤工作面供电原理如下页图1 所示，其中1 号高压电缆主要完成1 号、2 号移动变电站的供电，输出3 300 V 电压供给采煤机、转载机、破碎机需要的电力需求；2 号高压电缆主要完成3 号移动变电站的供电，输出3 300 V 电压供给工作刮板机所需的电力需求；3 号高压电缆主要完成4 号、5 号、6 号移动变电站的供电，输出1 140 V 电压供给乳化液泵、喷雾泵、注浆站等所需的电力需求；4 号高压电缆主要完成7 号、8 号、9 号移动变电站的供电，输出1 140 V 和660 V 电压供给输送机、进风、回风、辅助进风等所需的电力需求。

2.2 变压器的选择

图1 采煤工作面供电原理

远距离供电系统中涉及多个变压器，选择变压器的主要参数是容量大小，结合变压器的工作电压和工作容量完成变压器型号的选择。刮板机变压器的工作电压为3 300 V，考虑远距离供电的质量和工作刮板机的用电容量需求，选择变压器的型号为KBSGZY-3150/10/3.3，编号为2 号；乳化液泵变压器的工作电压为1 200 V，选择变压器的型号为KBSGZY-800/10/1.2，编号为3 号；乳化液泵、喷雾泵、注水泵变压器工作电压为1 200 V，选择变压器的型号为KBSGZY-800/10/1.2，编号为5 号。

2.3 刮板机电机控制装置的选择

刮板机的驱动采取双电机模式，分别位于机头和机尾，单个电机的功率为700 kW，最远供电距离为2 100 m，传统直起开关瞬间闭合电流大约为1 200 A，不利于整定保护，同时远距离供电电路存在压降损失，会出现电机启动力矩瞬间不足的问题，因此设计中采用变频器取代传统开关对电机电路进行控制。变频器启动属于软启动，启动过程平顺、冲击电流低、电压波动小，能够有效保护电机及其相邻电路的安全。变频器能够与通信网络进行连接，达到电机自动控制的目的，通过调整电机频率实现电机速度的调整功能。变频调速系统构成如图2 所示。

图2 变频调速系统构成

远距离供电系统中的刮板机变频器选择型号为BPJV-3×1250/3.3，即矿用隔爆本质安全型高压组合变频器，输出端的电压输送距离大于2 km，设置三个输出端口，各路满足不大于1 250 V 电压下的电机调速控制。该变频器具有启动转矩大、启动平滑、自动化程度高、外形尺寸小、数据存储量大等特点，很好满足了采煤工作面远距离供电的要求。

2.4 电缆的选择

电缆的选择主要考虑电缆所承受的工作电压及其电缆使用环境情况，首先根据远距离供电系统中电缆使用条件不同，确定各部分电缆的型号如下：系统中的低压固定敷设电缆采用铠装电缆或者满足使用电压要求的橡套软电缆；采煤作业中的手持电动工具的供电采用满足要求的橡套电缆；远程供电系统中3 300 V、1 140 V 和660 V 采煤设备的供电电缆选用具有分相屏蔽功能的橡套绝缘电缆；供电系统中涉及照明、通信、控制功能的电缆采用铠装电缆或者橡套电缆，低压用输电线路使用铜芯型。布线过程中的电缆长度设计应该遵循以下原则：固定敷设的橡套电缆的设计长度要比敷设巷道长度多预留10%；采煤工作面内移动设备供电线缆长度需要预留3～5 m；如果电缆中央存在接头，需要在接头两侧各预留3 m。电缆设计过程中截面尺寸的选择原则如下：高压电缆使用过程中的电损不大，未进行具体的设计分析，主要针对距离较远、容量较大电动机用电缆，必须考虑电动机的持续运行电流或者运行时允许的压降损失。

3 远距离供电系统的应用分析

为了验证远距离供电系统的应用效果，对其应用状况进行了检测，结果如下：采煤工作面处于空载状态时检测得到移动变压器出口电压为3 400 V，工作面配电位置的电压为3 400 V；在采煤工作面供电系统供电过程中采煤机工作电压值为3 360 V，正常运行压降为△Uz=88 V，启动瞬时压降为△Uq=324 V；运输机工作电压为3 340 V，正常运行压降为△Uz=101 V，启动瞬时压降为△Uq=188 V。经检测供电系统各个指标均能满足设备规定的要求，可见远程供电系统运行稳定可靠，能够满足采煤工作面的供电需求。采煤工作面远距离供电系统的设计和应用，彻底改变了传统大型供电设备为采煤工作面供电的现状，降低了设备运维人员的劳动强度，保证了工作的安全性，同时远距离供电系统的应用大大降低了采煤工作面建设对地质条件的要求，提高了采煤工作面的适应能力，减少了设备维护时间，有利于采煤工作的安全高效推进。