铁矿矿山工程重要负荷供配电设计浅析

李欢焕

【摘 要】供配电主接线，重要负荷的供配电设计。

【关键词】地采；露采；供配电系统

1 中国铁矿资源情况

中国铁矿石的总储量虽然不小，但是整体品位低，富矿只有两个百分点左右，而且八成以上都是贫矿甚至极贫矿。前几年铁矿石价格高涨，给钢铁行业造成了不小的压力，而且不断涨价，给国家的经济发展也造成了不少影响，所以铁矿资源开发和利用迫在眉睫。但同时铁矿矿山企业作为经济实体，不可能不考虑成本和投资的平衡，在中国现有铁矿资源的情况下，只能朝着大型化发展，也就是说扩大规模，降低单位产品的成本。而且有些露天矿山，经过多年的开采，露天资源已经枯竭，只能继续往地下发展了。

2 铁矿矿山工程供配电负荷等级

依据GB 50052-2009，电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在对人身安全、经济损失上所造成的影响程度进行分级，具体分为如下负荷：一级负荷，二级负荷，三级负荷。一级负荷中又含有特别重要的负荷。

针对负荷等级的不同，供配电系统的要求也不同，具体如下：

一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。

一级负荷中特别重要的负荷供电，还应符合下列要求：

1）除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷介入应急供电系统；

2）设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求。

二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回6kV及以上专用的架空线供电[1]。

铁矿矿山工程，根据 GB 50052-2009[1]和GB 50070-2009[2]，一级负荷主要有如下负荷：

1）选矿流程：

a）焙烧回转窑及其配套冷却风机；

2）采矿流程：

a）井下有淹没危险环境矿井的主排水泵；

b）井下有爆炸或对人体健康有严重损害危险环境矿井的主通风机；

c）矿井经常升降人员的立井提升机；

d）有淹没环境露天矿采矿场的排水泵。

3 供配电系统的主接线

为了更方便的描述，将35kV、110kV统称为高压，6kV、10kV统称为中压。

根据露采和地采的不同特点，以及开拓方式的不同特点，供电负荷等级不相同，供配电主接线也有很多种方式。从电源数量来说，一般有单电源、双电源、三电源等等，本文仅讨论一级负荷或特别负荷的供电，故只讨论双电源和三电源。具有一级负荷铁矿矿山供配电系统的主接线主要有以下几种：

3.1 高压双电源桥型接线[3]

变压器相对来说故障率低，而且铁矿矿山工程不需要经常切换变压器，故铁矿矿山一般采用内桥接线。根据主变压器的设置台数，又可以分为双电源内桥+两台变压器以及双电源内桥扩大+三台变压器两种。前面已经叙述，中国铁矿品位低，为了提高经济性，只能扩大规模，负荷相应也很大，但对于中压断路器来说，额定电流一般最大只有3150A规格，那么变压器一般只做到50MVA，而对于有些特大型铁矿矿山，计算负荷超过50MVA，为了能够在检修变压器等情况下矿山能够继续正常运行，故采用三台主变压器。中压采用双电源单母线分段或者三电源单母线分段。

3.2 高压双电源单母线分段

对于有些项目，直接35kV高压电缆进线，高低压侧都采用单母线分段，设置高压配电室和中压配电室室，有些铁矿矿山项目是综合项目，不仅选铁还选钛等，场地分散，高压和中压设置配电室，可以更灵活，以适应相对分散的场地布置。各段母线分开运行，但一段母线故障的情况下，另外一段母线可以承担所有负荷。

3.3 中压双电源单母线分段

对于有些项目，业主负责实施总降压站，然后送电至铁矿矿山工程配套的中压配电室。中压配电室采用单母线分段。各段母线分开运行，但一段母线故障的情况下，另外一段母线可以承担所有负荷。

3.4 中压双电源单母线一工一备

一级负荷基本为一工一备模式下或者一级负荷为单流程设备下采用。中压双电源进线，单母线，工作模式为一工一备，可以减少投资，而且可靠性也能满足负荷等级要求。

3.5 中压三电源单母线分段

设置三台主变压器的情况，或者项目设置了两台主变压器，再从附近取得第三回电源。

作为一级负荷的备用电源或者作为项目的局部备用电源。一般这类情况下，正常工作的两段母线分开运行相互备用，但是第三段母线只是作为局部备用电源或者一级负荷的备用电源，并不能作为项目的备用电源，如果工作的两段母线均故障的情况下，矿山正常的生产是受影响的。

3.6 双电源单母线分段+柴油发电机组

虽然有双电源，但是两回电源独立性不强或者电源的容量不够，为了给一级负荷供电，加入柴油发电机组。

4 主要一级负荷和个别负荷的供电设计

4.1 回转窑供电

回转窑辅助传动电机如果供电中断，会给设备带来重要影响和损坏，而且维护时间也比较长，所以我们定义回转窑辅助传动电机为一级负荷中的重要负荷，所以在满足中压双电源供电的前提下还设置柴油发电机组。中压不同母线段馈出一回电源给一台变压器，每台变压器馈出一回低压电源给一台双电源切换开关，自投手复，双电源切换开关出口经过一台断路器接至重要负荷母线段。

重要母线段接至柴油发电机组的并机柜，当检测到双电源转换开关出口断路器QF下失电，延时5S启动柴油发电机组，并且切断双电源转换开关出口断路器QF，防止市电和柴油发电机组并列运行。当然，重要负荷母线段，还接有其他负荷，比如冷却风机，消防泵等等。

4.2 露天采场供电

采场供电主要给采场工作的设备，比如废石移动破碎机，矿石移动破碎剂，钻机，破碎机，以及排水泵等等。如果采场纵深不大，可以设置环形架空线供电网；如果采场纵深大，设置两回架空线（共杆或者不共杆）供电，然后设置环网柜，两个电源进入一个电源馈出，这样可以更好的满足采场生产要求。

4.3 废石和矿石运输开拓系统供电

废石或矿石运输开拓系统，一般为单流程设备，外部供电采用双回不共杆架空线。

如果有高压设备，采用双电源进线一工一备；如果没有高压设备，可以采用环网柜供电，两个电源进入一个电源馈出给变压器。

4.4 副井提升系统供电

副井提升主要作为人员，废石和辅助材料等提升之用，按照规范要求，属于一级负荷，必须双重电源供电。副井提升的供电可以由具有双电源进线的中压配电室馈出一路中压电源给副井提升系统，也可以由具有双电源进线的中压配电室不同母线段馈出两回电源给副井提升系统，副井提升系统设置双电源切换。载人提升系统供电中断，会造成困在提升机和滞留在井下人员的恐慌，所以新规范将载人提升机负荷等级提高了。对于某些供电条件不够的矿山，如果没有双重电源，那么必须设置柴油发电机组，作为载人提升机的备用电源。

4.5 井下排水泵

有淹井危险的井下排水泵，是要按照一级负荷供电的。如果淹井，井下设施恢复时间很长，不仅影响生产，还会对设备造成损坏，更有可能造成滞留井下人员的恐慌，甚至淹死。

井下排水泵一般根据几种涌水情况来设置：一般涌水，最大涌水，极限涌水。设计时一定要考虑好极限容量，要不然极限情况下电源不满足排水泵运行要求。对于某些供电条件不够的矿山，如果没有双重电源，那么必须设置柴油发电机组。根据开拓方案的不同和排水泵电压等级的不同，选择合适的柴油发电机组的电压等级。这里面又分几种情况：

A.没有载人提升机

排水泵电压等级为低压，可以直接在地面设置低压柴油发电机组，然后下井。

排水泵电压等级为中压，可以采用低压柴油发电机组+升压变压器或者直接采用中压柴油发电机组。一般说来，低压柴油发电机组+升压变压器投资相比节省，但是增加了故障点，而且由于引入了变压器，增加了系统的阻抗，对排水泵的启动不利。到底选择那种模式，需要根据系统和设备的具体参数进行技术经济综合比较。

B.有载人提升机且不需要和排水泵整体考虑柴油发电机组

这个和A方案一致，根据系统和设备的具体参数进行技术经济综合比较。

C.有载人提升机且需要和排水泵整体考虑柴油发电机组

载人提升机一般为中压供电。

如前所述，可以采用两种方案：低压柴油发电机组+升压变压器或者直接采用中压柴油发电机组。

还有一点需要引起重视的是，如果排水泵电压等级为低压，排水泵数量比较多，而且极限情况下工作台数多，负荷容量比较大，这个时候需要选择两台变压器（可以提高可靠性，减小单台变压器的容量），因为受运输通道的限制以及传统做法，井下的变压器不会做得特别大，相比于变压器，排水泵的功率是比较大的，这个时候就要考虑软启动了。

排水泵是非常适合软启动的，但是必须要考虑直接启动和软启动的转换，刚开始，负荷较小。直接启动排水泵，更快的投入排水，随着负荷的增加，再直接启动排水泵，系统可能承受不了，这个时候软启动排水泵，但是需要设置相对较高的启动电流，这样可以减少启动时间，具体如何设置，需要根据工程实际参数来确定。

4.6 通风风机

铁矿矿山和煤矿矿山不同，没有瓦斯以及有毒气体，所以负荷等级不是一级负荷。

但是通风风机需要设计正转和反转，以满足送风和抽风的要求；而且有些风机是对旋风机。

一台风机配备两个电机，电机启动和运行需要同步。

4.7 牵引变电所

牵引系统的供电中断本身不会造成设备的损坏以及人员的伤亡，但是会造成生产的中断。

矿石废石运输会有问题，所以牵引变电所宜设置两台变压器（来自于不同母线段）或中压单母线分段，整流器一般备用一台。

5 结束语

现在中国的铁矿矿山工程越来越大型化，工程负荷容量也越来越大，供配电系统的主接线也越来越复杂，采用何种主接线形式，需要和业主以及当地供电部门反复交流，并做详细的技术经济评价。至于一级负荷，需要严格遵守国家规范，双重电源供电甚至柴油发电机组作为备用电源。至于有些非一级负荷，从生产的连续性以及性价比综合考虑，来确定是否提高供电等级。

【参考文献】

[1]GB 50052-2009 供配电系统设计规范[S].

[2]GB 50070-2009 矿山电力设计规范[S].

[3]陈延镖.钢铁企业电力设计手册-上册[M].1996年1月第1版.北京：谭学余，1996：12-26.

[责任编辑：汤静]