王永清，梁寶英

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

煤礦供電系統(tǒng)是煤礦生產的重要動力源,其系統(tǒng)設計的優(yōu)劣直接影響煤礦生產的安全穩(wěn)定運行和煤炭生產成本。隨著煤礦開采水平的不斷延伸,井下采掘機械化程度的提高,生產能力的大幅增加,大功率電機等大型電氣設備的不斷應用,合理優(yōu)化改造設計煤礦供電系統(tǒng)就顯得十分必要了。

1 供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

左云縣小京莊鄉(xiāng)李家窯煤礦屬于兼并重組整合擴建礦井。原大同市左云縣小京莊鄉(xiāng)李家窯煤礦和原大同市左云縣小京莊鄉(xiāng)峙溝煤礦進行資源整合,整合后礦井命名為左云縣小京莊鄉(xiāng)李家窯煤礦,設計生產能力提升到600 kt/a。

李家窯煤礦整合前設計生產能力210 kt/a,礦井采用雙回路電源線路供電,但兩回路電源均為“T”接;整合前峙溝煤礦生產能力150 kt/a,電源架空進線架設農混線,且礦井變電所采用單母線運行方式,兩個礦均不符合煤礦雙回路供電要求。李家窯礦掘進工作面,有“雙風機、雙電源”,但未實現(xiàn)自動切換;峙溝煤礦掘進工作面的局部通風機無專用線路供電,即局扇用電和生產用電為一趟線路,局部通風機和掘進工作面的電氣設備無風電閉鎖裝置,這些都存在極大的安全隱患,不符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。

整合前各生產礦井線路老化,壓降大,電氣設備陳舊,無監(jiān)控設備及檢測系統(tǒng),漏電保護措施不到位。在防止雷電波侵入井下方面做得較差,僅僅是在入井軌道處安裝有絕緣道夾板,此外幾乎沒有裝設任何形式和規(guī)格的防雷裝置。入井架空供電線路、通訊線路、金屬管道一旦遭遇雷擊,雷電將沿著進入井下的導線、金屬體直接侵入井下各個工作面,引起人員觸雷電傷亡或引發(fā)瓦斯爆炸。繼電保護裝置落后,保護不完善,動作不靈敏等事故隱患。資源整合后,礦井用電負荷將大幅增加,需要對供電系統(tǒng)進行優(yōu)化改造設計。

2 礦井供電系統(tǒng)改造的優(yōu)化設計原則[1]

1)認真貫徹國家有關安全生產的各項方針政策和法規(guī),按照現(xiàn)行的煤礦安全設計技術規(guī)程、規(guī)范進行系統(tǒng)優(yōu)化改造設計。

2)本著減少改造工程量、投資少,見效快的原則,在充分了解供電現(xiàn)狀的前提下,盡量利用能安全運行的現(xiàn)有電氣設備和線路。做到技術先進、系統(tǒng)簡化、經濟合理、安全可靠。對不符合技術要求和安全規(guī)程的必須進行技術改造或更換,以確保安全、高質量的供電。

3)對提出的優(yōu)化改造設計方案,要從整體出發(fā),深入論證電源、負荷及線路布局的合理性,并要從定性和定量兩方面來論證其安全可靠性和經濟穩(wěn)定性。

4)盡量采用先進技術和設施,建立完善的、靈敏的計算機集中監(jiān)測監(jiān)控保護系統(tǒng)。

3 供電系統(tǒng)的優(yōu)化改造設計[2]

3.1 供電電源的確定

選定合理的供電電源是保證礦井供電安全設計的基礎。原李家窯礦采用T接的方式獲得礦井供電電源,且架空線經計算也已不能滿足資源整合后礦井的負荷載流量和電壓降的要求,因此需要重新確定電源和供電線路。

礦井電源點要選擇離礦井較近,自身就是雙回路進線,變電所母線為分列式運行,且主變壓器容量、變電所出線間隔和出線走廊均有富裕的變電所。

李家窯煤礦附近現(xiàn)有酸茨河和馬道頭兩座35 kV變電站。酸茨河35 kV變電站為雙電源環(huán)網站(開環(huán)運行),距離本礦3 km,該站現(xiàn)有兩個35 kV環(huán)網進出線間隔和一個變壓器出線間隔,目前該站裝有一臺8 000 kVA主變壓器,已用負荷4 900 kVA,尚有3 100 kVA富裕容量。馬道頭35 kV變電站距離本礦5 km,該站為雙電源變電站,兩段母線分列運行,現(xiàn)有2臺3 150 kVA主變,已用負荷4 000 kVA,尚有2 300 kVA富裕容量,由此這兩個變電所可為礦井提供安全可靠的電源。

3.2 礦井主變電所

3．2．1 礦井主變電所的位置和運行方式的確定

本次設計結合該礦資源整合后的井田開拓和工業(yè)場地布置情況,在礦井主、副斜井及工業(yè)場地負荷中心新建一座礦井地面10 kV變電所,以減少供電線路的長度和導線截面積,提高礦井供電質量,并可適應企業(yè)今后的發(fā)展需要。此變電所擔負全礦井地面及井下負荷用電,采用雙回路供電。一回電源由馬道頭35 kV變電站10 kV出線,供電距離5 km,導線型號為LGJ-150型,避雷線為GJ-35(全線架設),鋼筋混凝土單桿架設;另一回電源由酸次河35 kV變電站10 kV出線,供電距離3 km,導線型號為LGJ-120型,避雷線為GJ-35(全線架設),鋼筋混凝土桿架設。兩回10 kV線路一用一備,當一回10 kV電源線路發(fā)生故障停止供電時,另一回10 kV電源線路能保證礦井全部負荷用電,符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。作為礦井配電網絡的礦井變電所必須采用分列運行母線,以保證二次母線為分列運行母線,接于兩段母線的一級負荷才會有兩個獨立供電電源。

3．2．2 主變壓器的選擇

礦井變電所主變壓器容量不僅要滿足礦井全部負荷的需要,而且運行也要滿足一級負荷對雙電源的要求。在主井地面工業(yè)場地設一臺S9-1000/10/0.4 kV型變壓器作為主供,為減少投資,將原有兩臺500 kVA變壓器并聯(lián)運行作為備用,主供變壓器和備用變壓器分列運行,負荷率為74.6%。當一回電源線路或變壓器發(fā)生故障時,另一臺變壓器應能擔負全部負荷的供電。

3．2．3 電氣主接線及主要電氣設備

1)電氣主接線形式 地面10 kV系統(tǒng)為單母線分段接線,中性點不接地系統(tǒng);地面供電變壓器低壓側中性點直接接地;井下10 kV和660 V系統(tǒng)為單母線分段接線,中性點不接地系統(tǒng);地面380/220 V配電系統(tǒng)為單母線分段,中性點直接接地的TN-C-S 系統(tǒng)[3]。

2)主要電氣設備選擇 礦井10 kV變電所采用室內布置方式,變電所內設高壓配電室,低壓配電室,變壓器室和補償電容室。10 kV配電裝置采用直流操作,操作電源選用一套免維護鋁酸蓄電池直流屏。

10 kV配電設備選用GG-1AZF成套高壓開關柜15臺,開關柜元件采用ZN28-10真空斷路器,直流操作采用GD17電磁操作機構,電動分合閘。

低壓配電室選用S9-1000/10/0.4,1000 kVA,10/0.4 kV變壓器兩臺,供地面380 V設備及照明用電。變壓器室內安裝,中性點直接接地。低壓配電選用GGD-2型成套低壓配電柜7臺,總進線開關選用CW1-2000智能式斷路器,彈簧儲能電動操作機構,～220V交流操作。

3)無功補償形式 由于煤礦生產大量使用電動機、變壓器等感性負荷,導致電網功率因數(shù)下降,影響了線路和配電變壓器的經濟運行。李家窯煤礦根據(jù)實際情況,采用高低壓集中補償?shù)姆椒?設計在10 kV母線側和380 V分別進行集中無功補償。10 kV母線側投入2組TBB型無功補償成套裝置,每組電容器上都串聯(lián)一臺磁控電抗器,可實現(xiàn)動態(tài)無功補償和電壓調節(jié)功能。2臺電容器柜單臺容量1 188 kvar。380 V低壓無功補償利用現(xiàn)有GGJ-2型低壓無功補償柜。經過無功補償技術的改造,功率因數(shù)由0.74提高到0.92,從而降低了供電線路和變壓器的電力損耗,提高供電質量。

4)繼電保護裝置 變電所控制采用交流操作控制,繼電保護采用BHE-300S系列微機綜合保護裝置。

3.3 地面供配電系統(tǒng)

地面10 kV變電所以雙回路10 kV向副井絞車房、風井變電所、井下中央變電所供電;以雙回路380 V分別向主井皮帶機房、地面生產系統(tǒng)、空氣加熱室、鍋爐房等用電設備供電。以單回路380 V電源向機修間、木工房、礦區(qū)聯(lián)合建筑等負荷供電。除向風井變電所采用架空線路供電外,其余負荷均以電纜放射方式供電,供電電纜采用直埋敷設方式向各配電點供電。10 kV高壓電纜選用YJV22-8.7/10型交聯(lián)鎧裝高壓電纜,～380 V低壓電纜選用VV22-0.6/1型交聯(lián)鎧裝動力電纜。

在回風井廣場變電室利用原有7臺KSG1-10高壓開關柜和5臺KGF-1電控柜,通風機電動機采用變頻控制方式,實現(xiàn)通風機變頻控制,安裝2臺S9-315/10變壓器,電壓10/0.4 kV。設計在通風機房裝設ARJC-9在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)電動機工作電流、電機溫度,風機軸承溫度、風道負壓、瓦斯?jié)舛鹊淖詣颖O(jiān)測。

3.4 防雷和接地

10 kV變電所院內設有四支等高的H12型避雷針；10 kV架空輸電線路上裝設有閥型避雷器；10 kV變電所內的高壓開關柜內裝有避雷器,變電所保護接地采用閉環(huán)式接地裝置。鍋爐房煙囪附設避雷針保護,高度以超過15 m的建(構)筑物設避雷帶保護,防直接雷擊保護,防雷沖擊接地電阻值不超過 30 Ω。

為防止雷電侵入井下,由地面直接入井的軌道及露天架空引入(出)的管路及鎧裝電纜的金屬外皮,均在井口處對金屬體進行良好接地,且接地點不少于兩處。

低壓配電系統(tǒng)采用TN-C-S系統(tǒng),在建筑物進戶處應做總等電位聯(lián)絡或重復接地。電氣裝置金屬外殼均應做保護接地。手持式移動設備和照明配電系統(tǒng)中的插座回路應裝設帶漏電保護的斷路器。

通訊線路的電源端裝有TDJ220B-20型單相電源避雷器,通訊線路的信號端裝有LDH10k24Y型信號防雷器[4]。

3.5 井下供電系統(tǒng)

根據(jù)本礦井下開拓布置及負荷情況,確定井下采用10 KV/660 V/127 V供電。井下采掘工作面的電氣設備有相當一部分非常落后,甚至不符合《煤礦安全規(guī)程》要求,掛網運行后將直接影響供電系統(tǒng)安全可靠和經濟運行,因此必須加大力度,更新改造或淘汰此類設備。本次設計井下設綜采煤工作面1個,綜掘工作面1個,炮掘工作面1個。

3．5．1 井下電纜

入井電纜電源引自地面工業(yè)廣場10 kV變電所10 kV不同母線段,兩回電源互為備用,當任一回電源因故停止供電時,另一回電源仍能保證本礦井全部設備正常運行。下井電纜型號為MYJV22-10 3×70,長度650 m的交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套內鋼帶鎧裝阻燃電力電纜,沿副井敷設至井下中央變電所。

井下電纜選用經檢驗合格的并取得煤礦礦用產品安全標志(MA)的阻燃電纜。井筒和巷道內的通信和信號電纜應與電力電纜分掛在井巷兩側。高低壓電力電纜敷設在巷道同一側時,高低壓電纜之間距離應大于0.1 m。高壓電纜之間、低壓電纜之間的距離不得小于50 mm。

3．5．2 井下電氣設備及變電所

本設計選用的井下電氣設備符合“煤礦礦用產品安全標志”的規(guī)定。10 kV配電裝置選用BGP8-10Z型高壓真空配電裝置;660 V配電裝置選用KBZ礦用隔爆型真空饋電開關;井下電動機均選用QBZ礦用隔爆型真空電磁起動器控制;井下變壓器均選用礦用隔爆型干式變壓器,本礦井下無油浸式電氣設備;固定照明電壓127 V,選用DGS-13/127礦用隔爆型節(jié)能燈具。

本設計在井下新建一座井下中央變電所,與井下主排水泵房聯(lián)合布置。井下中央變電所設在2＃層,本所兩回10 kV電源引自礦井10 kV變電所10 kV不同母線段。本所10 kV和660 V主接線均采用單母線分段接線型式。設計利用本礦現(xiàn)有2臺KBSG-315/10,10/0.69 kV型礦用隔爆型干式變壓器作為本所的主變壓器,兩臺變壓器分列運行,供井下主排水泵、大巷運輸?shù)仍O備用電。2臺變壓器一用一備,最大涌水量時負荷率79.8%,保證率100%;當一臺變壓器故障時,另一臺變壓器可滿足井下中央變電所全部660 V負荷的用電需要。

井下中央變電所分別以兩回10 kV電源向各采區(qū)變電所和局扇供電;以單回10 kV電源向大巷膠帶機供電;以雙回660 V電源向井下主水泵房供電;以單回660 V電源向軌道大巷、井底煤倉等配電點供電。

本設計在2＃層順槽掘進工作面口設置2臺KBSGZY-50/10/0.69型礦用隔爆型干式變壓器作為本采區(qū)順槽掘進工作面的局扇專用變壓器,其線路上不得分接其他負荷,以實現(xiàn)井下局扇供電的三專兩閉鎖,電控裝置選用QBZ-4×120/660型礦用隔爆型雙風機雙電源組合式真空起動器,可保證實現(xiàn)局扇“三專兩閉鎖、雙風機、雙電源”等安全措施。掘進面監(jiān)控分站與瓦斯傳感器、局扇開停傳感器及斷電儀配合使用,當瓦斯超限或局扇故障停止運轉時,可切斷被控工作面非本質安全工作電源,實現(xiàn)“風電、瓦斯電閉鎖”功能。

3．5．3 井下漏電保護及接地

井下低壓系統(tǒng)采取中性點不接地方式供電。由地面變電所至井下變電所的電纜線路上均裝設零序電流互感器和選擇性的單相接地保護裝置;井下變電所至移動變電站的饋電線路上裝設有選擇性的動作于跳閘的單相接地保護裝置;低壓饋電線上必須裝設檢漏保護裝置或有選擇性的漏電保護裝置,保證能自動切斷漏電的饋電線路。井下660 V用電設備由QBZ型礦用隔爆真空電磁起動器控制,總開關KBZ-400/660型礦用隔爆低壓真空饋電開關的保護器具有保護精度高、反應速度快等優(yōu)點,保護器能實現(xiàn)漏電保護、漏電閉鎖、過載、短路及欠壓保護功能,對低壓配電線路起保護作用,分支開關KBZ-200/660型的保護器能實現(xiàn)功率方向選擇性漏電保護、漏電閉鎖、過載、短路及欠壓保護功能;煤電鉆控制采用ZBM-4型礦用隔爆型煤電鉆綜合裝置;井下照明及信號饋電線路上,選用設有自動切斷漏電饋電線路的ZBX-4型礦用隔爆型照明信號綜合保護裝置。井下配電變壓器中性點嚴禁直接接地,以減少漏電或觸電電流。

為了防止井下人身觸電,保證人身安全,按照《規(guī)程》要求,必須將電氣設備的金屬外殼進行可靠接地。根據(jù)井下電氣設備的實際布置,在井下主、副水倉中各埋設一塊主接地極,在機電硐室、配電點等地點附近的巷道水溝及其它就近的比較潮濕處裝設局部接地極。所有局部接地極和電氣設備的保護接地裝置均應可靠聯(lián)接,并與主接地極相連,形成井下總接地網。接地網上任一點測得的接地電阻值均不超過2 Ω;每一移動式和手持式電氣設備至局部接地極之間的保護接地用的電纜芯線和接地連接導線的電阻值不超過1 Ω。

3.6 礦井監(jiān)控系統(tǒng)

本次設計在礦井建立了工業(yè)以太網,設置了井上、井下電網安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、產量監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)等,實現(xiàn)地面調度中心遠程監(jiān)測監(jiān)控。將各種安全、生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)接入工業(yè)以太網,形成全礦井綜合自動化系統(tǒng),實現(xiàn)礦井生產自動化、管理信息化。

4 結束語

本次對礦井供電系統(tǒng)的改造設計,優(yōu)化了供電系統(tǒng),新建的礦井變電所深入到負荷中心,減少了供電系統(tǒng)的電能損耗,提高了供電的可靠性。采用了先進的技術裝備,設置了計算機監(jiān)測、監(jiān)控設備,實現(xiàn)了礦井供電系統(tǒng)運行的全面監(jiān)控,為礦井安全生產提供了保障。采用了大量的新型設備,延長了停電檢修周期,減少了維護工作量和年運行費用。

[1]劉國軍．成莊煤礦供電自動化系統(tǒng)的技術改造[J].煤礦機電,2009(1):79-81.

[2]劉桂平．崔莊煤礦供電系統(tǒng)技術改造[J].煤炭工程,2005(2):11-14.

[3]劉小柯．小煤礦供電系統(tǒng)安全性能探討[J].煤礦機械,2009(10):179-181.

[4]李洪美．提高煤礦供電安全可靠性的探討[J].能源技術與管理,2010(1):140-141.