李占平

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

大采高綜采工作面供電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

李占平

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

Development and Application of Power-supply Technology in Full-mechan izedM in ing Face with LargeM in ing Height

介紹了大采高工作面供電系統(tǒng)的主要組成,分析了 10kV入井、3.3kV工作面高壓供電的優(yōu)越性和可行性,研究工作面智能型、大容量、高壓供電設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)推動(dòng)我國(guó)大采高工作面供電技術(shù)的進(jìn)步具有重要的意義。

大采高綜采;高電壓;智能化;大容量

1 大采高綜采工作面供電系統(tǒng)組成

我國(guó)厚煤層資源豐富,厚煤層開(kāi)采在保障煤炭生產(chǎn)供應(yīng)能力中占有重要地位。近幾年,厚煤層大采高綜采工作面成套設(shè)備配套不斷優(yōu)化、設(shè)備裝備水平不斷提高,安全、可靠、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)配套設(shè)備不斷完善,為大采高工作面的安全運(yùn)行提供了有力保障[1]。

大采高綜采工作面供電系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的電源;保護(hù)功能完善、靈敏度高的開(kāi)關(guān);電壓輸出穩(wěn)定、損耗少的變壓器;連接各種電氣設(shè)備的動(dòng)力電纜以及各類用電設(shè)備等。

2 大采高綜采工作面高壓供電技術(shù)

目前大采高電牽引采煤機(jī)總裝機(jī)功率已達(dá)到了2000kW以上 (如采煤機(jī)功率達(dá) 2590kW),隨著采煤機(jī)、刮板機(jī)等工礦設(shè)備總裝機(jī)功率的加大,按常規(guī)設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。如果仍然采用目前的 6kV入井,工作面 660V或 1140V工作電壓,必然造成電纜截面加大,給電纜的安裝、維護(hù)和管理帶來(lái)困難。因此,為解決大采高工作面供電系統(tǒng)的問(wèn)題,須將入井電壓提升至 10kV,工作面電壓升至 3.3kV。

2.1 10kV下井供電系統(tǒng)

2.1.1 10kV和 6kV下井電壓參數(shù)計(jì)算比較

電網(wǎng)輸送能力與電壓的計(jì)算公式:

式中,S為導(dǎo)線的輸送容量,kVA;Z為導(dǎo)線的阻抗值 (與導(dǎo)線的長(zhǎng)度、截面有關(guān),即 Z為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度阻抗 Zu與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積),Ω;U為電網(wǎng)電壓,kV。

將下井供電電壓由 6kV提高到 10kV時(shí),根據(jù)公式 (1),則:

即:

式中,(S·Z)10,(S·Z)6分別為 10kV與 6kV電網(wǎng)的輸送容量和阻抗;U10,U6分別為 10kV和6kV電網(wǎng)電壓。

從式 (2)中可以看出,若電網(wǎng)輸送容量 (S)和導(dǎo)線單位長(zhǎng)度阻抗 (Zu)不變,則輸送距離(L)可以增長(zhǎng) 2.78倍;若線路阻抗 Z=Zu·L不變,則可提高輸送容量 (S)2.78倍。

2.1.2 10kV和 6kV下井電壓的經(jīng)濟(jì)性比較

提高電網(wǎng)輸送能力,可取得的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益:

(1)多數(shù)大型礦井需要在風(fēng)井安裝電纜供井下采區(qū)負(fù)荷,由于供電距離遠(yuǎn)、負(fù)荷大,6kV電壓供電已不能滿足要求,采用 10kV供電,可提高供電能力和供電可靠性。

(2)下井電纜截面大約可減小一半,可以節(jié)約相應(yīng)的設(shè)備投資。

(3)減少電網(wǎng)的電力損耗。

(4)采用 10kV電壓供電后,一些地面工礦企業(yè)可以省略 10kV/6kV變壓環(huán)節(jié),節(jié)約相應(yīng)的配電設(shè)備投資。

經(jīng)過(guò)多年來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新改造,目前的 10kV井下開(kāi)關(guān)設(shè)備、變壓器、電纜等電氣設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)已能夠滿足井下 10kV供電的要求。正因?yàn)?10kV電壓入井的諸多優(yōu)點(diǎn),我國(guó)厚煤層大采高工作面均采取 10kV供電電壓直接入井,如陜西紅柳林礦、檸條塔礦和內(nèi)蒙古補(bǔ)連塔礦等,投產(chǎn)后的礦井取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2.2 工作面 3.3kV供電系統(tǒng)

上世紀(jì) 90年代以來(lái),在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,我國(guó)逐步改造和新建了一批大型現(xiàn)代化礦井,在這些礦井中,電壓升高至 3.3kV,達(dá)到一井 1～2個(gè)工作面,工作面年產(chǎn)達(dá)到 6.0Mt以上。目前,國(guó)內(nèi)大部分的高產(chǎn)高效綜采工作面大都采用了3.3kV供電系統(tǒng)。

(1)工作面 1.14kV供電系統(tǒng)的局限性 經(jīng)常達(dá)不到功率大于 2×300kW AFC驅(qū)動(dòng)裝置起動(dòng)扭矩的要求;采煤設(shè)備對(duì)供電功率的要求已使供電設(shè)施諸如巷道配電箱、拖曳電纜和電纜接頭的電流達(dá)到了極限;工作面的設(shè)計(jì)已受到可供給 AFC驅(qū)動(dòng)裝置和采煤機(jī)的功率極限的限制。

人們?cè)紤]過(guò)消除這些限制條件的方法,雖然增大供電設(shè)備的額定電流是能辦到的,但因?yàn)樾枰匦略O(shè)計(jì)和更新一些設(shè)備,而且更大截面的電纜拖曳移動(dòng)起來(lái)十分困難。因此,最好的辦法是提高工作面設(shè)備用電電壓。

(2)選擇 3.3kV電壓的理由及其優(yōu)點(diǎn) 我國(guó)煤礦在選擇使用 3.3kV供電電壓時(shí)考慮了以下因素:國(guó)外煤礦已有使用 3.3kV供電系統(tǒng)的現(xiàn)成設(shè)備及經(jīng)驗(yàn);3.3kV是我國(guó)承認(rèn)的電壓等級(jí);具有在地面使用 3.3kV以上設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。

電壓升級(jí)為 3.3kV后的優(yōu)點(diǎn):在工作面的設(shè)計(jì)中可采用功率高達(dá) 750kW以上的驅(qū)動(dòng)裝置;工作面電壓的穩(wěn)定性將大大提高;可減小移動(dòng)電纜的尺寸,從而節(jié)約成本。

目前工作面 3.3kV供電設(shè)備 (如防爆變壓器和防爆組合開(kāi)關(guān)等)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都已經(jīng)很成熟,并已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)各大煤礦。因此,大采高工作面采用 3.3kV供電系統(tǒng)是我國(guó)煤礦發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。

3 大采高綜采工作面供電設(shè)備

隨著大采高工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備裝備水平不斷提高,與之配套使用的供電設(shè)備技術(shù)也應(yīng)不斷完善。因此,研究使用新型真空配電裝置、大容量移動(dòng)變電站、智能組合開(kāi)關(guān)、智能型真空電磁啟動(dòng)器等技術(shù)先進(jìn)的礦用隔爆型設(shè)備是大采高工作面供電技術(shù)發(fā)展的必然要求。

3.1 新型礦用隔爆型高壓真空配電裝置

礦用隔爆型高壓真空配電裝置是煤礦井下饋送電的重要設(shè)備。隨著 10kV下井技術(shù)的發(fā)展,大采高工作面電機(jī)單機(jī)容量的增大以及全礦井自動(dòng)化的實(shí)施,提高生產(chǎn)效率,降低成本,對(duì)井下的配電裝置的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。所以,研制高可靠性、智能化的新型礦用隔爆型高壓真空配電裝置是技術(shù)發(fā)展的需要。

新型礦用隔爆型高壓配電裝置采用永磁操作機(jī)構(gòu)斷路器代替彈簧操作機(jī)構(gòu)斷路器、固封極柱滅弧室和智能綜合保護(hù)器,較以往使用的高爆開(kāi)關(guān)故障明顯減少,保護(hù)靈敏可靠,操作簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,維修方便,大大提高了供電的安全性、可靠性,保證了各用電區(qū)域的正常供電,提高了生產(chǎn)效率,特別是對(duì)移動(dòng)變電站的可靠供電及保護(hù)發(fā)揮了重要作用,有力地保障了安全生產(chǎn)。

3.2 10kV大容量礦用隔爆型移動(dòng)變電站

隨著采煤機(jī)械單機(jī)容量的增大,特別是大采高工作面總裝機(jī)容量急劇增加,對(duì)供電設(shè)備的要求越來(lái)越高。礦用隔爆型移動(dòng)變電站是高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化采煤的主要供電設(shè)備,因此,研究開(kāi)發(fā)性能可靠、技術(shù)先進(jìn)的高電壓、大容量移動(dòng)變電站是實(shí)現(xiàn)大采高高效綜采必須解決的問(wèn)題。

新型 10kV大容量礦用隔爆型移動(dòng)變電站采用大容量干式變壓器,其容量可達(dá) 6300kVA;低壓側(cè)采用低壓綜合保護(hù)箱,保護(hù)箱不帶開(kāi)關(guān),保護(hù)器采用 PLC可編程智能化綜合保護(hù);高壓側(cè)采用帶獨(dú)立隔離的高壓真空開(kāi)關(guān),并且由單純的手動(dòng)合閘發(fā)展到手動(dòng)、電動(dòng)雙重合閘,保護(hù)器采用 PLC可編程控制器和液晶顯示器系統(tǒng),具有過(guò)載、斷路、斷相、過(guò)壓、欠壓、超溫、急停、低壓側(cè)后備等保護(hù)功能。

國(guó)內(nèi)新型 10kV大容量 6300kVA/10/3.3礦用隔爆移動(dòng)變電站已在神華集團(tuán)神東公司投入使用,為煤礦井下供電提供了更安全、可靠的保障,為我國(guó)大采高工作面供電技術(shù)的發(fā)展起到了積極作用。

3.3 智能型大容量多組合組合開(kāi)關(guān)

組合開(kāi)關(guān)是對(duì)綜合機(jī)械化采煤工作面主要負(fù)荷進(jìn)行集中控制與保護(hù)的電氣設(shè)備,可以提高設(shè)備的自動(dòng)化程度,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)之間的邏輯控制關(guān)系,是真空電磁啟動(dòng)器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著被控電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性,以致整個(gè)工作面的生產(chǎn)狀況。因此,研制多回路、多控制方式、智能化程度高、具有通訊、監(jiān)測(cè)功能、具有工作面設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制功能的組合開(kāi)關(guān),有利于工作面供電設(shè)備的壓縮,同時(shí)也能提升整個(gè)工作面供電設(shè)備的可靠性。

隨著煤礦井下工作面工作電壓的提升,很多防爆開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家已經(jīng)設(shè)計(jì)出適用于電壓 3.3kV供電系統(tǒng)的 KJZ系列智能礦用隔爆兼本質(zhì)安全型真空組合開(kāi)關(guān) (簡(jiǎn)稱組合開(kāi)關(guān)),該組合開(kāi)關(guān)是專為綜采工作面大功率機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)的全數(shù)字控制智能組合啟動(dòng)控制設(shè)備,對(duì)工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等大功率綜采設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)、雙速切換及主、從順序控制,并能對(duì)電動(dòng)機(jī)及供電線路進(jìn)行過(guò)載、短路、斷相、漏電、漏電閉鎖、高壓絕緣監(jiān)視、接觸器粘連、過(guò)壓、欠壓保護(hù)。3.3kV組合開(kāi)關(guān)可內(nèi)置采煤機(jī)監(jiān)測(cè)、顯示裝置,能與 TTT和CST刮板軟啟動(dòng)裝置配套使用,并能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和輸送機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

工作面生產(chǎn)的運(yùn)行情況表明,KJZ系列智能型大容量真空組合開(kāi)關(guān)性能可靠,能滿足井下大采高工作面大功率采煤設(shè)備的控制和保護(hù)功能。

4 大采高綜采工作面供電設(shè)備選型

隨著大采高配套設(shè)備、供電及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展,一些大型礦井大采高采煤工作面所用的輸送機(jī)和采煤機(jī)等機(jī)械設(shè)備均采用 3.3kV電壓供電,并大量采用高集成度的負(fù)荷中心或更高集成度的配電變壓器和負(fù)荷中心一體的新型設(shè)備,改善了采區(qū)電網(wǎng)和工作面大功率電氣設(shè)備的運(yùn)行工況。

以某一工作面為例,該工作面長(zhǎng)度為 300m,走向長(zhǎng)約為 3200m,采高 5.0～6.8m,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12Mt/a。

工作面配套設(shè)備:中間架 ZY17000/32/70D;采煤機(jī) SL1000;刮板輸送機(jī) SGZ1400/4500;轉(zhuǎn)載機(jī) SZZ1600/700;破碎機(jī) PLM6000;乳化液泵站S500;噴霧泵站 S300。

工作面供電系統(tǒng)高壓為 10kV,低壓為 3.3kV和 1140V,其中采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)采用 3.3kV電壓供電,其余電氣設(shè)備采用1140V電壓供電。

工作面用移動(dòng)變電站和組合開(kāi)關(guān)配套結(jié)果分別如表 1和表 2所示。

表1 工作面用移動(dòng)變電站

表2 工作面用組合開(kāi)關(guān)

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井,尤其是大采高工作面裝機(jī)功率的越來(lái)越大,電壓升級(jí)是今后的必然趨勢(shì)。與大采高工作面采煤裝備的提高相配套的供電設(shè)備技術(shù)也應(yīng)不斷完善、升級(jí)。目前,大采高工作面高壓供電技術(shù)的成功應(yīng)用,提高了礦井經(jīng)濟(jì)效益,提升了礦井科技水平,推動(dòng)了大采高技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)國(guó)家建設(shè)億噸級(jí)大型煤炭基地具有示范和借鑒作用。

[1]王金華 .我國(guó)大采高綜采技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006,34(1).

[2]何麗華,楊 溢,等 .工礦企業(yè) 10kV供電系統(tǒng)的可行性分析[J].云南電力技術(shù),2006(3):28-29.

[3]葉 湘,陳守義 .3.3kV供電系統(tǒng)的井下應(yīng)用 [J].中國(guó)煤炭,1998,24(11).

[4]王國(guó)法 .高效綜合機(jī)械化采煤成套裝備技術(shù) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[責(zé)任編輯:張銀亮]

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1006-6225(2010)05-0073-03

2010-05-20

李占平 (1978-),男,河南焦作人,工程師,主要從事煤礦供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作。