李家窯煤礦供電系統(tǒng)的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

王永清，梁寶英

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

煤礦供電系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要動力源,其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響煤礦生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和煤炭生產(chǎn)成本。隨著煤礦開采水平的不斷延伸,井下采掘機(jī)械化程度的提高,生產(chǎn)能力的大幅增加,大功率電機(jī)等大型電氣設(shè)備的不斷應(yīng)用,合理優(yōu)化改造設(shè)計(jì)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(kuò)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(jìn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力提升到600 kt/a。

李家窯煤礦整合前設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(chǎn)能力150 kt/a,電源架空進(jìn)線架設(shè)農(nóng)混線,且礦井變電所采用單母線運(yùn)行方式,兩個(gè)礦均不符合煤礦雙回路供電要求。李家窯礦掘進(jìn)工作面,有“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”,但未實(shí)現(xiàn)自動切換;峙溝煤礦掘進(jìn)工作面的局部通風(fēng)機(jī)無專用線路供電,即局扇用電和生產(chǎn)用電為一趟線路,局部通風(fēng)機(jī)和掘進(jìn)工作面的電氣設(shè)備無風(fēng)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(chǎn)礦井線路老化,壓降大,電氣設(shè)備陳舊,無監(jiān)控設(shè)備及檢測系統(tǒng),漏電保護(hù)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(shè)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(jìn)入井下的導(dǎo)線、金屬體直接侵入井下各個(gè)工作面,引起人員觸雷電傷亡或引發(fā)瓦斯爆炸。繼電保護(hù)裝置落后,保護(hù)不完善,動作不靈敏等事故隱患。資源整合后,礦井用電負(fù)荷將大幅增加,需要對供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造設(shè)計(jì)。

2 礦井供電系統(tǒng)改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則[1]

1)認(rèn)真貫徹國家有關(guān)安全生產(chǎn)的各項(xiàng)方針政策和法規(guī),按照現(xiàn)行的煤礦安全設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程、規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)。

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(yùn)行的現(xiàn)有電氣設(shè)備和線路。做到技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)簡化、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。對不符合技術(shù)要求和安全規(guī)程的必須進(jìn)行技術(shù)改造或更換,以確保安全、高質(zhì)量的供電。

3)對提出的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)方案,要從整體出發(fā),深入論證電源、負(fù)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(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性。

4)盡量采用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)施,建立完善的、靈敏的計(jì)算機(jī)集中監(jiān)測監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。

3 供電系統(tǒng)的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。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(jīng)計(jì)算也已不能滿足資源整合后礦井的負(fù)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(diǎn)要選擇離礦井較近,自身就是雙回路進(jìn)線,變電所母線為分列式運(yùn)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(wǎng)站(開環(huán)運(yùn)行),距離本礦3 km,該站現(xiàn)有兩個(gè)35 kV環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線間隔和一個(gè)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(fù)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(yùn)行,現(xiàn)有2臺3 150 kVA主變,已用負(fù)荷4 000 kVA,尚有2 300 kVA富裕容量,由此這兩個(gè)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(yùn)行方式的確定

本次設(shè)計(jì)結(jié)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(fù)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(dǎo)線截面積,提高礦井供電質(zhì)量,并可適應(yīng)企業(yè)今后的發(fā)展需要。此變電所擔(dān)負(fù)全礦井地面及井下負(fù)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(dǎo)線型號為LGJ-150型,避雷線為GJ-35(全線架設(shè)),鋼筋混凝土單桿架設(shè);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(dǎo)線型號為LGJ-120型,避雷線為GJ-35(全線架設(shè)),鋼筋混凝土桿架設(shè)。兩回10 kV線路一用一備,當(dāng)一回10 kV電源線路發(fā)生故障停止供電時(shí),另一回10 kV電源線路能保證礦井全部負(fù)荷用電,符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。作為礦井配電網(wǎng)絡(luò)的礦井變電所必須采用分列運(yùn)行母線,以保證二次母線為分列運(yùn)行母線,接于兩段母線的一級負(fù)荷才會有兩個(gè)獨(dú)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(fù)荷的需要,而且運(yùn)行也要滿足一級負(fù)荷對雙電源的要求。在主井地面工業(yè)場地設(shè)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(yùn)行作為備用,主供變壓器和備用變壓器分列運(yùn)行,負(fù)荷率為74.6%。當(dāng)一回電源線路或變壓器發(fā)生故障時(shí),另一臺變壓器應(yīng)能擔(dān)負(fù)全部負(fù)荷的供電。

3．2．3 電氣主接線及主要電氣設(shè)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(diǎn)不接地系統(tǒng);地面供電變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)直接接地的TN-C-S 系統(tǒng)[3]。

2)主要電氣設(shè)備選擇 礦井10 kV變電所采用室內(nèi)布置方式,變電所內(nèi)設(shè)高壓配電室,低壓配電室,變壓器室和補(bǔ)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(hù)鋁酸蓄電池直流屏。

10 kV配電設(shè)備選用GG-1AZF成套高壓開關(guān)柜15臺,開關(guān)柜元件采用ZN28-10真空斷路器,直流操作采用GD17電磁操作機(jī)構(gòu),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(shè)備及照明用電。變壓器室內(nèi)安裝,中性點(diǎn)直接接地。低壓配電選用GGD-2型成套低壓配電柜7臺,總進(jìn)線開關(guān)選用CW1-2000智能式斷路器,彈簧儲能電動操作機(jī)構(gòu),～220V交流操作。

3)無功補(bǔ)償形式 由于煤礦生產(chǎn)大量使用電動機(jī)、變壓器等感性負(fù)荷,導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)下降,影響了線路和配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。李家窯煤礦根據(jù)實(shí)際情況,采用高低壓集中補(bǔ)償?shù)姆椒?設(shè)計(jì)在10 kV母線側(cè)和380 V分別進(jìn)行集中無功補(bǔ)償。10 kV母線側(cè)投入2組TBB型無功補(bǔ)償成套裝置,每組電容器上都串聯(lián)一臺磁控電抗器,可實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)功能。2臺電容器柜單臺容量1 188 kvar。380 V低壓無功補(bǔ)償利用現(xiàn)有GGJ-2型低壓無功補(bǔ)償柜。經(jīng)過無功補(bǔ)償技術(shù)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(zhì)量。

4)繼電保護(hù)裝置 變電所控制采用交流操作控制,繼電保護(hù)采用BHE-300S系列微機(jī)綜合保護(hù)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(fēng)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(jī)房、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、空氣加熱室、鍋爐房等用電設(shè)備供電。以單回路380 V電源向機(jī)修間、木工房、礦區(qū)聯(lián)合建筑等負(fù)荷供電。除向風(fēng)井變電所采用架空線路供電外,其余負(fù)荷均以電纜放射方式供電,供電電纜采用直埋敷設(shè)方式向各配電點(diǎn)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(fēng)井廣場變電室利用原有7臺KSG1-10高壓開關(guān)柜和5臺KGF-1電控柜,通風(fēng)機(jī)電動機(jī)采用變頻控制方式,實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)變頻控制,安裝2臺S9-315/10變壓器,電壓10/0.4 kV。設(shè)計(jì)在通風(fēng)機(jī)房裝設(shè)ARJC-9在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電動機(jī)工作電流、電機(jī)溫度,風(fēng)機(jī)軸承溫度、風(fēng)道負(fù)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(nèi)設(shè)有四支等高的H12型避雷針；10 kV架空輸電線路上裝設(shè)有閥型避雷器；10 kV變電所內(nèi)的高壓開關(guān)柜內(nèi)裝有避雷器,變電所保護(hù)接地采用閉環(huán)式接地裝置。鍋爐房煙囪附設(shè)避雷針保護(hù),高度以超過15 m的建(構(gòu))筑物設(shè)避雷帶保護(hù),防直接雷擊保護(hù),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(jìn)行良好接地,且接地點(diǎn)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(jìn)戶處應(yīng)做總等電位聯(lián)絡(luò)或重復(fù)接地。電氣裝置金屬外殼均應(yīng)做保護(hù)接地。手持式移動設(shè)備和照明配電系統(tǒng)中的插座回路應(yīng)裝設(shè)帶漏電保護(hù)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(fù)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(shè)備有相當(dāng)一部分非常落后,甚至不符合《煤礦安全規(guī)程》要求,掛網(wǎng)運(yùn)行后將直接影響供電系統(tǒng)安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,因此必須加大力度,更新改造或淘汰此類設(shè)備。本次設(shè)計(jì)井下設(shè)綜采煤工作面1個(gè),綜掘工作面1個(gè),炮掘工作面1個(gè)。

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(dāng)任一回電源因故停止供電時(shí),另一回電源仍能保證本礦井全部設(shè)備正常運(yùn)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(hù)套內(nèi)鋼帶鎧裝阻燃電力電纜,沿副井敷設(shè)至井下中央變電所。

井下電纜選用經(jīng)檢驗(yàn)合格的并取得煤礦礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志(MA)的阻燃電纜。井筒和巷道內(nèi)的通信和信號電纜應(yīng)與電力電纜分掛在井巷兩側(cè)。高低壓電力電纜敷設(shè)在巷道同一側(cè)時(shí),高低壓電纜之間距離應(yīng)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(shè)備及變電所

本設(shè)計(jì)選用的井下電氣設(shè)備符合“煤礦礦用產(chǎn)品安全標(biāo)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(guān);井下電動機(jī)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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)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(yùn)行,供井下主排水泵、大巷運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備用電。2臺變壓器一用一備,最大涌水量時(shí)負(fù)荷率79.8%,保證率100%;當(dāng)一臺變壓器故障時(shí),另一臺變壓器可滿足井下中央變電所全部660 V負(fù)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(jī)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(diǎn)供電。

本設(shè)計(jì)在2＃層順槽掘進(jìn)工作面口設(shè)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(jìn)工作面的局扇專用變壓器,其線路上不得分接其他負(fù)荷,以實(shí)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(fēng)機(jī)雙電源組合式真空起動器,可保證實(shí)現(xiàn)局扇“三專兩閉鎖、雙風(fēng)機(jī)、雙電源”等安全措施。掘進(jìn)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(dāng)瓦斯超限或局扇故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),可切斷被控工作面非本質(zhì)安全工作電源,實(shí)現(xiàn)“風(fēng)電、瓦斯電閉鎖”功能。

3．5．3 井下漏電保護(hù)及接地

井下低壓系統(tǒng)采取中性點(diǎn)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(shè)零序電流互感器和選擇性的單相接地保護(hù)裝置;井下變電所至移動變電站的饋電線路上裝設(shè)有選擇性的動作于跳閘的單相接地保護(hù)裝置;低壓饋電線上必須裝設(shè)檢漏保護(hù)裝置或有選擇性的漏電保護(hù)裝置,保證能自動切斷漏電的饋電線路。井下660 V用電設(shè)備由QBZ型礦用隔爆真空電磁起動器控制,總開關(guān)KBZ-400/660型礦用隔爆低壓真空饋電開關(guān)的保護(hù)器具有保護(hù)精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)、漏電閉鎖、過載、短路及欠壓保護(hù)功能,對低壓配電線路起保護(hù)作用,分支開關(guān)KBZ-200/660型的保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)功率方向選擇性漏電保護(hù)、漏電閉鎖、過載、短路及欠壓保護(hù)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(shè)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(hù)裝置。井下配電變壓器中性點(diǎn)嚴(yán)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(shè)備的金屬外殼進(jìn)行可靠接地。根據(jù)井下電氣設(shè)備的實(shí)際布置,在井下主、副水倉中各埋設(shè)一塊主接地極,在機(jī)電硐室、配電點(diǎn)等地點(diǎn)附近的巷道水溝及其它就近的比較潮濕處裝設(shè)局部接地極。所有局部接地極和電氣設(shè)備的保護(hù)接地裝置均應(yīng)可靠聯(lián)接,并與主接地極相連,形成井下總接地網(wǎng)。接地網(wǎng)上任一點(diǎn)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(shè)備至局部接地極之間的保護(hù)接地用的電纜芯線和接地連接導(dǎo)線的電阻值不超過1 Ω。

3.6 礦井監(jiān)控系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)在礦井建立了工業(yè)以太網(wǎng),設(shè)置了井上、井下電網(wǎng)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控。將各種安全、生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)接入工業(yè)以太網(wǎng),形成全礦井綜合自動化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)自動化、管理信息化。

4 結(jié)束語

本次對礦井供電系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì),優(yōu)化了供電系統(tǒng),新建的礦井變電所深入到負(fù)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(jìn)的技術(shù)裝備,設(shè)置了計(jì)算機(jī)監(jiān)測、監(jiān)控設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行的全面監(jiān)控,為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。采用了大量的新型設(shè)備,延長了停電檢修周期,減少了維護(hù)工作量和年運(yùn)行費(fèi)用。

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

[2]劉桂平．崔莊煤礦供電系統(tǒng)技術(shù)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(jī)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(shù)與管理,2010(1):140-141.