大采高综采工作面供电技术的发展与应用

李占平

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

大采高综采工作面供电技术的发展与应用

李占平

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

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

介绍了大采高工作面供电系统的主要组成,分析了 10kV入井、3.3kV工作面高压供电的优越性和可行性,研究工作面智能型、大容量、高压供电设备的发展趋势,对推动我国大采高工作面供电技术的进步具有重要的意义。

大采高综采;高电压;智能化;大容量

1 大采高综采工作面供电系统组成

我国厚煤层资源丰富,厚煤层开采在保障煤炭生产供应能力中占有重要地位。近几年,厚煤层大采高综采工作面成套设备配套不断优化、设备装备水平不断提高,安全、可靠、稳定的供电系统配套设备不断完善,为大采高工作面的安全运行提供了有力保障[1]。

大采高综采工作面供电系统主要由以下几个部分组成:可靠、优质、经济的电源;保护功能完善、灵敏度高的开关;电压输出稳定、损耗少的变压器;连接各种电气设备的动力电缆以及各类用电设备等。

2 大采高综采工作面高压供电技术

目前大采高电牵引采煤机总装机功率已达到了2000kW以上 (如采煤机功率达 2590kW),随着采煤机、刮板机等工矿设备总装机功率的加大,按常规设计的供电系统已经不能满足生产需要。如果仍然采用目前的 6kV入井,工作面 660V或 1140V工作电压,必然造成电缆截面加大,给电缆的安装、维护和管理带来困难。因此,为解决大采高工作面供电系统的问题,须将入井电压提升至 10kV,工作面电压升至 3.3kV。

2.1 10kV下井供电系统

2.1.1 10kV和 6kV下井电压参数计算比较

电网输送能力与电压的计算公式:

式中,S为导线的输送容量,kVA;Z为导线的阻抗值 (与导线的长度、截面有关,即 Z为导线单位长度阻抗 Zu与导线长度L的乘积),Ω;U为电网电压,kV。

将下井供电电压由 6kV提高到 10kV时,根据公式 (1),则:

即:

式中,(S·Z)10,(S·Z)6分别为 10kV与 6kV电网的输送容量和阻抗;U10,U6分别为 10kV和6kV电网电压。

从式 (2)中可以看出,若电网输送容量 (S)和导线单位长度阻抗 (Zu)不变,则输送距离(L)可以增长 2.78倍;若线路阻抗 Z=Zu·L不变,则可提高输送容量 (S)2.78倍。

2.1.2 10kV和 6kV下井电压的经济性比较

提高电网输送能力,可取得的经济技术效益:

(1)多数大型矿井需要在风井安装电缆供井下采区负荷,由于供电距离远、负荷大,6kV电压供电已不能满足要求,采用 10kV供电,可提高供电能力和供电可靠性。

(2)下井电缆截面大约可减小一半,可以节约相应的设备投资。

(3)减少电网的电力损耗。

(4)采用 10kV电压供电后,一些地面工矿企业可以省略 10kV/6kV变压环节,节约相应的配电设备投资。

经过多年来的技术创新改造,目前的 10kV井下开关设备、变压器、电缆等电气设备的各项指标已能够满足井下 10kV供电的要求。正因为 10kV电压入井的诸多优点,我国厚煤层大采高工作面均采取 10kV供电电压直接入井,如陕西红柳林矿、柠条塔矿和内蒙古补连塔矿等,投产后的矿井取得了巨大的经济效益[2]。

2.2 工作面 3.3kV供电系统

上世纪 90年代以来,在借鉴国外经验的基础上,我国逐步改造和新建了一批大型现代化矿井,在这些矿井中,电压升高至 3.3kV,达到一井 1～2个工作面,工作面年产达到 6.0Mt以上。目前,国内大部分的高产高效综采工作面大都采用了3.3kV供电系统。

(1)工作面 1.14kV供电系统的局限性 经常达不到功率大于 2×300kW AFC驱动装置起动扭矩的要求;采煤设备对供电功率的要求已使供电设施诸如巷道配电箱、拖曳电缆和电缆接头的电流达到了极限;工作面的设计已受到可供给 AFC驱动装置和采煤机的功率极限的限制。

人们曾考虑过消除这些限制条件的方法,虽然增大供电设备的额定电流是能办到的,但因为需要重新设计和更新一些设备,而且更大截面的电缆拖曳移动起来十分困难。因此,最好的办法是提高工作面设备用电电压。

(2)选择 3.3kV电压的理由及其优点 我国煤矿在选择使用 3.3kV供电电压时考虑了以下因素:国外煤矿已有使用 3.3kV供电系统的现成设备及经验;3.3kV是我国承认的电压等级;具有在地面使用 3.3kV以上设备的经验。

电压升级为 3.3kV后的优点:在工作面的设计中可采用功率高达 750kW以上的驱动装置;工作面电压的稳定性将大大提高;可减小移动电缆的尺寸,从而节约成本。

目前工作面 3.3kV供电设备 (如防爆变压器和防爆组合开关等)的设计和生产都已经很成熟,并已经成功应用于我国各大煤矿。因此,大采高工作面采用 3.3kV供电系统是我国煤矿发展的必然趋势[3]。

3 大采高综采工作面供电设备

随着大采高工作面液压支架、采煤机、刮板输送机等设备装备水平不断提高,与之配套使用的供电设备技术也应不断完善。因此,研究使用新型真空配电装置、大容量移动变电站、智能组合开关、智能型真空电磁启动器等技术先进的矿用隔爆型设备是大采高工作面供电技术发展的必然要求。

3.1 新型矿用隔爆型高压真空配电装置

矿用隔爆型高压真空配电装置是煤矿井下馈送电的重要设备。随着 10kV下井技术的发展,大采高工作面电机单机容量的增大以及全矿井自动化的实施,提高生产效率,降低成本,对井下的配电装置的设计提出了更高的要求。所以,研制高可靠性、智能化的新型矿用隔爆型高压真空配电装置是技术发展的需要。

新型矿用隔爆型高压配电装置采用永磁操作机构断路器代替弹簧操作机构断路器、固封极柱灭弧室和智能综合保护器,较以往使用的高爆开关故障明显减少,保护灵敏可靠,操作简单,性能稳定,维修方便,大大提高了供电的安全性、可靠性,保证了各用电区域的正常供电,提高了生产效率,特别是对移动变电站的可靠供电及保护发挥了重要作用,有力地保障了安全生产。

3.2 10kV大容量矿用隔爆型移动变电站

随着采煤机械单机容量的增大,特别是大采高工作面总装机容量急剧增加,对供电设备的要求越来越高。矿用隔爆型移动变电站是高产高效综合机械化采煤的主要供电设备,因此,研究开发性能可靠、技术先进的高电压、大容量移动变电站是实现大采高高效综采必须解决的问题。

新型 10kV大容量矿用隔爆型移动变电站采用大容量干式变压器,其容量可达 6300kVA;低压侧采用低压综合保护箱,保护箱不带开关,保护器采用 PLC可编程智能化综合保护;高压侧采用带独立隔离的高压真空开关,并且由单纯的手动合闸发展到手动、电动双重合闸,保护器采用 PLC可编程控制器和液晶显示器系统,具有过载、断路、断相、过压、欠压、超温、急停、低压侧后备等保护功能。

国内新型 10kV大容量 6300kVA/10/3.3矿用隔爆移动变电站已在神华集团神东公司投入使用,为煤矿井下供电提供了更安全、可靠的保障,为我国大采高工作面供电技术的发展起到了积极作用。

3.3 智能型大容量多组合组合开关

组合开关是对综合机械化采煤工作面主要负荷进行集中控制与保护的电气设备,可以提高设备的自动化程度,实现多台电机之间的逻辑控制关系,是真空电磁启动器的更新换代产品。其性能的优劣直接关系着被控电动机运行的可靠性和安全性,以致整个工作面的生产状况。因此,研制多回路、多控制方式、智能化程度高、具有通讯、监测功能、具有工作面设备联动控制功能的组合开关,有利于工作面供电设备的压缩,同时也能提升整个工作面供电设备的可靠性。

随着煤矿井下工作面工作电压的提升,很多防爆开关生产厂家已经设计出适用于电压 3.3kV供电系统的 KJZ系列智能矿用隔爆兼本质安全型真空组合开关 (简称组合开关),该组合开关是专为综采工作面大功率机电设备设计的全数字控制智能组合启动控制设备,对工作面采煤机、刮板输送机等大功率综采设备进行启动、停止、反转、双速切换及主、从顺序控制,并能对电动机及供电线路进行过载、短路、断相、漏电、漏电闭锁、高压绝缘监视、接触器粘连、过压、欠压保护。3.3kV组合开关可内置采煤机监测、显示装置,能与 TTT和CST刮板软启动装置配套使用,并能实现采煤机和输送机的数据传输。

工作面生产的运行情况表明,KJZ系列智能型大容量真空组合开关性能可靠,能满足井下大采高工作面大功率采煤设备的控制和保护功能。

4 大采高综采工作面供电设备选型

随着大采高配套设备、供电及自动化控制技术的发展,一些大型矿井大采高采煤工作面所用的输送机和采煤机等机械设备均采用 3.3kV电压供电,并大量采用高集成度的负荷中心或更高集成度的配电变压器和负荷中心一体的新型设备,改善了采区电网和工作面大功率电气设备的运行工况。

以某一工作面为例,该工作面长度为 300m,走向长约为 3200m,采高 5.0～6.8m,设计生产能力12Mt/a。

工作面配套设备:中间架 ZY17000/32/70D;采煤机 SL1000;刮板输送机 SGZ1400/4500;转载机 SZZ1600/700;破碎机 PLM6000;乳化液泵站S500;喷雾泵站 S300。

工作面供电系统高压为 10kV,低压为 3.3kV和 1140V,其中采煤机、刮板输送机、转载机和破碎机采用 3.3kV电压供电,其余电气设备采用1140V电压供电。

工作面用移动变电站和组合开关配套结果分别如表 1和表 2所示。

表1 工作面用移动变电站

表2 工作面用组合开关

5 结束语

随着大型现代化高产高效矿井,尤其是大采高工作面装机功率的越来越大,电压升级是今后的必然趋势。与大采高工作面采煤装备的提高相配套的供电设备技术也应不断完善、升级。目前,大采高工作面高压供电技术的成功应用,提高了矿井经济效益,提升了矿井科技水平,推动了大采高技术的进步,对国家建设亿吨级大型煤炭基地具有示范和借鉴作用。

[1]王金华 .我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势[J].煤炭科学技术,2006,34(1).

[2]何丽华,杨 溢,等 .工矿企业 10kV供电系统的可行性分析[J].云南电力技术,2006(3):28-29.

[3]叶 湘,陈守义 .3.3kV供电系统的井下应用 [J].中国煤炭,1998,24(11).

[4]王国法 .高效综合机械化采煤成套装备技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[责任编辑:张银亮]

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2010-05-20

李占平 (1978-),男,河南焦作人,工程师,主要从事煤矿供电系统的设计与研究工作。