李占平

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

隨著煤礦開采技術(shù)和大型成套采煤設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，工作面設(shè)備數(shù)量不斷增多、負(fù)荷逐漸增大，若采用傳統(tǒng)的“移動(dòng)變電站+電纜+組合開關(guān)”的供電模式，必然造成綜采工作面供電設(shè)備數(shù)量的增加，使得供電系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)和管理困難、工作面工人工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度增加、供電系統(tǒng)整體可靠性降低等問題［1－2］。

因此，為解決煤礦井下高產(chǎn)高效綜采工作面設(shè)備容量大、負(fù)荷種類多、控制方式復(fù)雜、信息交換困難等問題，提出在山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司王家?guī)X煤礦工作面供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用一種高集成化的設(shè)備——礦用隔爆兼本質(zhì)安全型負(fù)荷中心。通過對(duì)負(fù)荷中心用變壓器容量的計(jì)算和低壓側(cè)組合開關(guān)負(fù)荷的分配，最終確定負(fù)荷中心型號(hào)。工作面負(fù)荷中心的應(yīng)用極大地促進(jìn)了礦井安全、高產(chǎn)高效工作面的實(shí)現(xiàn)。

1 負(fù)荷中心應(yīng)用的必要性

目前，煤礦井下工作面供電系統(tǒng)方式多種多樣，但在工作面巷道斷面尺寸和巷道條件滿足的情況下，均采用近距離供電方式。由于煤礦處于復(fù)雜的地理環(huán)境中，設(shè)備列車不能簡單地像陸地上一樣自由地推進(jìn)，而是受到煤礦的地形和行道空間的影響，因此要求設(shè)備盡可能減少占地面積，以確保能夠方便、快速地推移，減少工作量的同時(shí)也提高煤礦的生產(chǎn)效率［1］。

負(fù)荷中心的出現(xiàn)解決了這些問題，它是由高壓真空配電裝置、干式變壓器、負(fù)荷中心用低壓側(cè)組合開關(guān)3部分組成，各部件之間采用法蘭硬鏈接，構(gòu)成一個(gè)整體［2－3］。它兼具工作面供配電系統(tǒng)中的移動(dòng)變電站和組合開關(guān)的功能，較傳統(tǒng)的“移動(dòng)變電站+電纜+組合開關(guān)”的供配電方式具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)增強(qiáng)供電系統(tǒng)的安全性和可靠性 負(fù)荷中心既對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)也對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，在發(fā)生短路和漏電等重大故障時(shí)，可通過負(fù)荷中心內(nèi)部控制線直接跳掉負(fù)荷中心高壓側(cè)配電裝置，防止故障范圍擴(kuò)大;低壓側(cè)組合開關(guān)控制回路采用本安型電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化;一體化設(shè)計(jì)，減少了低壓側(cè)電纜連接數(shù)量，降低了35%以上電纜連接的事故率，提高了礦井安全生產(chǎn)的系數(shù)。

(2)減小了設(shè)備占地空間，加快了推進(jìn)速度

供電設(shè)備的占用空間僅相當(dāng)于原來的1/2到2/ 3，占用空間很小，有效地減少了設(shè)備列車推移的勞動(dòng)強(qiáng)度和工時(shí)消耗，從而加快了回采工作面的推進(jìn)速度，提高了回采工作面的生產(chǎn)效率。

(3)簡化了供電系統(tǒng)，增強(qiáng)了設(shè)備供配電能力 負(fù)荷中心能根據(jù)工作面的實(shí)際需要同時(shí)輸出3.3kV，1.14kV和0.66kV中的任意2種工作電壓，同時(shí)還可以輸出兩回路127V的照明或通訊用電;變壓器容量從1000～6300kVA可選;低壓側(cè)組合開關(guān)輸出回路可達(dá)14回路，輸出總電流可達(dá)2400A，單路控制電流最大達(dá)500A;具有順序控制、主從控制、雙速控制、單速控制、電氣連鎖等功能。負(fù)荷中心強(qiáng)大的供配電能力能保證采煤工作面所有用電設(shè)備的需要。

(4)智能化控制系統(tǒng)，為數(shù)字化礦井建設(shè)奠定了基礎(chǔ) 低壓側(cè)組合開關(guān)能提供標(biāo)準(zhǔn)的Modbus、以太網(wǎng)協(xié)議通信功能，可以實(shí)時(shí)將負(fù)荷中心的運(yùn)行情況上傳到工作面集中控制臺(tái)或通過礦井環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度指揮中心，為礦井實(shí)現(xiàn)少人或無人化生產(chǎn)管理提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，為數(shù)字化礦井建設(shè)奠定了基礎(chǔ)［3－5］。

2 工作面概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司王家?guī)X煤礦為新建礦井，采用“一井一面”的建礦模式，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5Mt/a。為把該礦井建設(shè)成為“高水平、高質(zhì)量、高效率、高效益”的現(xiàn)代化礦井，要求積極采用國內(nèi)、外成熟技術(shù)和先進(jìn)裝備，工作面采用科學(xué)的采煤方法及工藝，供電系統(tǒng)采用高等級(jí)化供電電壓、集成化供電設(shè)備、智能化控制系統(tǒng)等，力求簡化工作面供電系統(tǒng)。

首采區(qū)4號(hào)煤層煤厚4.02～11.70m，平均7.69m，采用綜采放頂煤采煤法，工作面長度為230m，走向長度為2200m，運(yùn)輸巷巷道斷面尺寸為5.5m(長)×3.5m(寬)。工作面設(shè)備配套及負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 工作面設(shè)備配套及負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

3 工作面負(fù)荷中心選型

3.1 工作面負(fù)荷分配

根據(jù)工作面設(shè)備配套及設(shè)備電壓等級(jí)，確定工作面主要采煤設(shè)備采用4臺(tái)負(fù)荷中心進(jìn)行供電和保護(hù)，其負(fù)荷分配如下:

(1)FH－1負(fù)荷中心 (10kV/3.45kV) 采煤機(jī)1630kW，破碎機(jī)375kW，噴霧泵Ⅰ2×160kW，額定功率合計(jì)2325kW。

(2)FH－2負(fù)荷中心 (10kV/3.45kV) 前部刮板輸送機(jī)2×855kW，轉(zhuǎn)載機(jī)525kW，額定功率合計(jì)2235kW。

(3)FH－3負(fù)荷中心 (10kV/3.45kV) 后部刮板輸送機(jī)2×855kW，噴霧泵Ⅱ2×160kW，額定功率合計(jì)2030kW。

(4)FH－4負(fù)荷中心 (10kV/3.45kV) 乳化液泵4×315kW，額定功率合計(jì)1260kW，實(shí)際使用功率合計(jì)945kW。

3.2 負(fù)荷中心干式變壓器容量計(jì)算

根據(jù)以往的計(jì)算和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，10kV級(jí)干式變壓器的最佳負(fù)荷率約在67%～80%，在最佳負(fù)荷率范圍內(nèi)運(yùn)行效率較高，且有較大的容量利用率。因此，4臺(tái)負(fù)荷中心的容量在此范圍內(nèi)選擇。

為保證供電質(zhì)量和安全，采用“需用系數(shù)法”來計(jì)算負(fù)荷中心變壓器容量。

式中，Pmax為設(shè)計(jì)中的最大電動(dòng)機(jī)功率，kW;∑Pe為由變壓器供電的所有用電設(shè)備額定功率之和;cosφ為電動(dòng)機(jī)的加權(quán)平均功率因數(shù)［6］。

3.2.1 FH－1負(fù)荷中心容量計(jì)算

因此，F(xiàn)H－1負(fù)荷中心選用1臺(tái)KBSG－2500/ 10/3.45kV礦用隔爆型干式變壓器，其容量為2500kVA＞Sb1=1893kVA，滿足該組負(fù)荷供電要求。

3.2.2 FH－2負(fù)荷中心容量計(jì)算

因此，F(xiàn)H－2負(fù)荷中心選用1臺(tái)KBSG－2500/ 10/3.45kV型礦用隔爆型干式變壓器，其容量為2500kVA＞Sb2=2012kVA，滿足該組負(fù)荷供電要求。

3.2.3 FH－3負(fù)荷中心容量計(jì)算

因此，F(xiàn)H－3負(fù)荷中心選用1臺(tái)KBSG－2500/ 10/3.45kV型礦用隔爆型干式變壓器，其容量為2500kVA＞Sb3=1885kVA，滿足該組負(fù)荷供電要求。

3.2.4 FH－4負(fù)荷中心容量計(jì)算

因此，F(xiàn)H－4負(fù)荷中心選用1臺(tái)KBSG－1250/ 10/3.45kV型礦用隔爆型干式變壓器，其容量為1250kVA＞Sb4=990kVA，滿足該組負(fù)荷供電要求。

3.3 低壓側(cè)組合開關(guān)

負(fù)荷中心用低壓側(cè)組合開關(guān)與一般獨(dú)立使用的組合開關(guān)不同，它必須具有饋電開關(guān)功能和完善的高低壓電氣聯(lián)鎖功能，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)動(dòng)作靈敏但不越級(jí)跳閘。

根據(jù)控制回路設(shè)備功率大小選擇合適的低壓側(cè)組合開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元及回路數(shù)，考慮設(shè)備的互換性，確定選用4臺(tái)配置相同的低壓側(cè)組合開關(guān)。要求其隔離換向開關(guān)總?cè)萘坎恍∮?200A、驅(qū)動(dòng)單元容量不小于400A、高壓電纜快速連接器額定電流不小于400A。

3.4 負(fù)荷中心型號(hào)

通過對(duì)負(fù)荷中心用干式變壓器容量的計(jì)算和低壓側(cè)組合開關(guān)主要參數(shù)的確定，最終選用3臺(tái)KJZ－2400/3300－10D 2500kVA型負(fù)荷中心和1臺(tái)KJZ－2400/3300－10D 1250kVA型負(fù)荷中心，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 負(fù)荷中心主要技術(shù)參數(shù)

4臺(tái)負(fù)荷中心均須采用解體下井，最大件尺寸約為4400mm(長)×1300mm(寬)×1800mm (高)，重約15t，滿足王家?guī)X煤礦設(shè)備下井運(yùn)輸要求;KJZ－2400/3300－10D 2500kVA型負(fù)荷中心外形尺寸約為6760mm(長)×1300mm(寬)× 1800mm(高)，滿足工作面近距離供電供液機(jī)軌合一的布置要求。

4 工作面負(fù)荷中心應(yīng)用分析

4臺(tái)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型負(fù)荷中心是在充分考慮了王家?guī)X煤礦井下4號(hào)煤層實(shí)際工況需要的情況下設(shè)計(jì)的，負(fù)荷中心的應(yīng)用主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)特點(diǎn):一體化設(shè)計(jì)有效地簡化了供電系統(tǒng);縮小了設(shè)備的占地面積，減少了低壓側(cè)電纜連接數(shù)量，降低了電纜連接的事故率，提高了工作面的推進(jìn)速度;智能化的工作模式、完善可靠的綜合保護(hù)功能，滿足了工作面設(shè)備的雙速起動(dòng)、順序起動(dòng)等要求，提高了工作面的自動(dòng)化程度;友好直觀的人機(jī)顯示界面，方便了操作人員的監(jiān)控和管理;低壓側(cè)以太網(wǎng)通訊接口實(shí)現(xiàn)了工作面巷道監(jiān)控中心對(duì)供電設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，為工作面實(shí)現(xiàn)少人化生產(chǎn)管理提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障［7］。

5 結(jié)論

從總體使用情況來看，負(fù)荷中心運(yùn)行質(zhì)量高，控制和保護(hù)靈敏可靠，故障率低，滿足了現(xiàn)代化礦井安全、高產(chǎn)高效綜采 (放)工作面的供電要求，為工作面的順利推進(jìn)提供了可靠的電氣設(shè)備保證，取得了很好的應(yīng)用效果。

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