大柳塔煤矿主运大巷8 700 m胶带机电控系统设计

2019-03-20崔广阔万孟合

陕西煤炭 2019年2期

崔广阔，万孟合

(神东煤炭集团教育培训中心，陕西榆林 719315)

0 引言

煤矿主运输设备采用胶带式输送机是神府矿区最常用的做法，胶带式输送机的启动方式、电控方式也日趋成熟，采用变频驱动已经是目前的主流技术，工程造价适中，节能效果明显[1]。但随着神府矿区的深部开采，煤矿产量的日益增大，对于胶带输送机的功率、电压也随之增加。因此选用控制可靠、性能优良、价格合理的电控设备也至关重要。

1 项目背景

大柳塔煤矿地处神府东胜矿区的神府区，位于陕西省神木市境内，神木市西北向约52.5 km乌兰木伦河东侧，行政区划隶属于神木市大柳塔镇管辖。大柳塔煤矿是神东煤炭分公司首个千万吨级矿井。井田东西长10.5～13.9 km、南北宽9.1～10.5 km，井田面积126.174 5 km2。5-2煤大巷胶带机作为大柳塔煤矿5-2煤开采延伸大巷主运输胶带机，该胶带机安装于5-2煤主运大巷内，与5-2煤主井胶带机搭接，机长8 700 m。该机为近水平运输胶带机，提升高度为-30 m，运量为4 500 t/h，带宽1 800 mm，带速4.5 m/s，总装机功率为7 000 kW，采用头驱+中驱方式。该胶带机为国内井工矿井最长运输距离的整部胶带机。其重要性不言而喻，因此电控系统设计的可靠性、先进性也尤为重要。

2 系统设计

2.1 启动方式

目前变频启动技术在煤矿中的应用技术成熟，可靠[2]。文中不再对启动方式的选择加以赘述。大柳塔煤矿5-2煤主运大巷胶带机主电机选用变频启动方案。

2.2 变频拖动方案选择

该胶带机属于长距离、大运量带式输送机，是矿井的关键设备[3]，经过技术经济比较确定该胶带机采用变频拖动，针对本胶带机装机功率大的特点，为此设计提出以下3种变频拖动方案。

方案1：采用青岛天信生产的BPJ-1000/1140隔爆型变频器。该类变频器供电电压1 140 V，控制电机功率为1 000 kW。设备采用12脉冲整流，有效降低网侧谐波含量，已取得国家矿用防爆本质安全证书，可直接应用煤矿井下。设备具有多路模拟量输入、输出及I/O接口可方便地完成对外部的控制功能及接收外部控制信号，单独使用时，完全可以完成整部胶带机的控制。设备配有10.4吋液晶显示屏，能够显示变频器电流、电压、频率、温度等参数、报警值等信息，可通过屏幕完成各种设置与操作，可利用键盘进行各种控制操作及参数设置等，具有电流、电压、频率、力矩、功率、变频器自身的温度及电机监控的温度等显示功能。但这种大功率变频器在国内首次使用，成为其主要缺点。

方案2：采用德国Breuer公司的变频一体电机。该类变频器供电电压为1 140 V，控制电机功率为1 000 kW，在德国、英国、斯洛文尼亚广泛应用于大功率胶带输送机、刮板机的控制。2009年首次在国内应用于神东煤炭集团锦界煤矿3-1煤大巷二部胶带机项目中应用情况良好，该设备整装进口于德国，昂贵的价格成为该类产品广泛应用的制约因素。

方案3：采用ABB的ACS1000型一般型变频调速装置地面控制，变频电机电源通过垂直钻孔敷设至井下驱动电机。该类变频器供电电压3 300 V，控制电机功率范围800～2 000 kW，广泛应用于主井提升大功率电机的控制，该方案中变频器在地面选址新建配电室，并通过电缆钻孔将长距离的电机电缆输送至井下胶带机驱动部。其主要缺点为：驱动部的主电机冷却风扇等辅机由于供电电压的限制而不允许长距离输电，只能就地设置配电点；主电机电气控制设备距离驱动部较远，不利于设备检修、巡检；辅机电源与主电机电源由两个配电点提供，增加供电不同期停电率；主机电缆需要通过钻孔敷设，当电缆出现故障时，更换困难。

以上3种方案的技术经济对比详见表1。经综合对比，方案2经济性较差，方案3系统设计复杂，需地面井下结合控制使用，而方案1经济性适中，系统简单可靠，因此推荐采用方案1。

表1 大柳塔5-2煤大巷胶带机变频拖动方案技术经济比较

2.3 控制系统设计

变频器控制：采用直接转矩控制方式(DTC)，转矩和速度控制精确平滑，保持皮带动态张力最小，减少对负载机械的冲击。变频器的频率调节精度为0.1 Hz，稳定精度为0.5%。实现两象限和四象限运行，节能降耗。能够实现多级拖动设备主从运行，并实现功率平衡调节和同步拖动。

功率平衡：多电机驱动采用主从控制，能提供精确的负载分配控制，平衡精度≤3%。不会出现皮带打滑现象。

通信系统：具有CAN、Ethernet、RS485等多种通信接口，可实现与上位机通讯，实现集中控制，并将数据传送至地面调度室进行远程监控。

输入输出接口设计：每台变频器自带12路数字、模拟I/O接口。

控制网络设计：控制系统利用井下已建千兆环网采集上一级胶带机运行信号，由控制器根据该信号发出指令进行自动分段调速，实现胶带机在线调速。胶带机控制逻辑图详如图1所示。

图1 胶带机控制逻辑图

2.4 配电系统设计

负荷计算：由于在计算胶带机主电机负荷时采用电容式储能变频器，因此变压器选型时的负荷计算主电机功率因数为0.9，负荷计算详见表2。

表2 胶带机负荷计算表

设备选型：根据表2负荷计算结果，设备选型主要在于变频变压器及变频器。机头选用1台KBSGZY-2000/10/1.2 Yy0变压器和1台KBSGZY-2000/10/1.2 Yd11变压器作为主电机的变频变压器，辅机电源引自5-2煤中央水泵房变电所660 V侧。中驱选用1台KBSGZY-1600/10/1.2 Yy0变压器和1台KBSGZY-1600/10/1.2 Yd11变压器作为主电机的变频变压器，辅机电源引自5-2煤中央水泵房变电所660V侧。变频器均采用BPJ-1000/1140型矿用隔爆型变频调速装置，共计7台。

电缆选型：电缆选型应遵循《煤矿安全规程》《矿山电力设计规范》《煤矿井下供配电设计规范》《电力工程电缆设计规范》等国家相关规定。需注意电缆导体截面选型的步骤：①通过安全载流量初步选定电缆导体截面；②经正常运行压降校验、热稳定校验、电动机启动压降校验、经济电流密度校验等综合确定电缆导体截面。计算过程中应特别注意在选用变频器至电机负荷电缆时，功率应按照电动机出厂铭牌功率因数计算。本项目中，主电机负荷电缆选型为矿用变频装置用屏蔽电缆，电缆型号为：MVFP-0.66/1.14 3×185+3×70/3+3×6 mm2。由于该型电缆参考外径为68.4 mm，因此在选用移动变电站低压馈头时应特殊注明“可引入电缆外径不小于70 mm”，否则将会出现现场无法进行接线的情况。

本项目在机头配电硐室及中驱配电硐室均设置局部接地装置，采用3 000 mm×200 mm×4 mm镀锌钢板两块，分别埋设在硐室外的水沟内作为局部接地极。在配电硐室及机头硐室内设置-50×5 mm扁钢接地母线，接地母线与硐室室内墙面垂直距离为15 mm，距室内地面垂直距离0.3～0.5 m，该接地体明敷，其水平支持件间距为1.5 m，转弯处为0.5 m，过门、通道处采用穿钢管暗敷。各个电气设备的金属外壳、铠装电缆的钢带(钢丝)和铅包、电缆桥架均应通过单独的连接导线直接与辅助接地母线相连接，连接导线的规格为断面不小于50 mm2裸铜线。局部接地装置通过高压电缆内的接地线芯与中央水泵房内的主接地网连接，要求实测接地电阻不大于2 Ω，如不满足要求，应增加人工接地极。

供检漏保护装置作检验用的辅助接地线应用总断面≥10 mm2的橡套电缆，辅助接地极应单独设置，辅助接地极与局部接地极的直线距离不小于5 m，辅助接地极可用直径不小于35 mm，长度不小于1.5 m的钢管制成，管上应至少钻20个直径小于5 mm的透孔，并垂直全部埋入底板；照明综保的辅助接地极可利用直径不小于22 mm，长不小于500 mm的钢管进行埋设，供检漏保护装置作检验用的辅助接地线利用MYQ-0.3/0.5 4×2.5 mm2电缆与辅助接地极连接。

3 其他设计问题

3.1 变频器电压等级

首次在煤矿井下应用国产1 140 V电压等级大功率防爆变频器，解决了以往660 V变频器需设置多驱的问题，达到了国际先进水平(该项目若使用500 kW驱动电机，驱动数量达到14驱)。该产品第1次应用于国内煤矿井下关键运输系统中，该设备与其他设备之间的协调配合还有待验证。

3.2 在线调速

根据以往变频器应用经验，变频调速功能仅应用于启动、检修过程。本项目中采用通过井下环网采集上一级胶带机运行信号，由控制器根据该信号发出指令进行自动分段调速。实现自动调速可减少输送带、托辊等设备的磨损，在一定程度上延长了设备使用寿命，同时也可实现电能的节约。

3.3 通讯接口

青岛天信出厂时标配的主从通信模式为CAN、RS485电通讯接口，而由于本项目中胶带机头驱距离中驱达到5 km，标准配置的电接口无法满足通讯距离要求，因此现场实际使用情况是厂家额外在变频器内部增加了光电转换模块，以保证头驱、中驱之间的通讯要求。

3.4 谐波抑制

由于矿井大量非线性电气设备的使用，电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流。谐波污染对电力系统的危害是严重的，本项目采取12脉冲整流变频器，可以有效抑制3次及6 k±1次以上的奇次谐波，加以抑制减少其危害。

3.5 节能环保

该项目采用先进的称重传感器，实现胶带机在线调速，避免在载轻货情况下，电机输出的浪费。在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

配电硐室及机头硐室采用矿用隔爆型LED照明灯具，LED节能灯采用高亮度白色发光二极管发光源，光效高、耗电少、寿命长、易控制、免维护、安全环保。LED灯发热量不高，把电能量尽可能地转化成了光能，而普通的灯因发热量大把许多电能转化成了热能，白白浪费。对比而言，LED照明就显得更加节能。

3.6 配电硐室

距离驱动部300 m远规划有大柳塔煤矿5-2煤中央水泵房变电所，可联合将胶带机电控设备布置在中央水泵房变电所，但考虑到操作控制方便，最终将机头配电硐室选取于机头主运大巷与辅运大巷之间的联巷内。由于硐室长度受限制，设备采用面对面布置方式，硐室宽度达到6.5 m，因此在支护上需特殊设计。

3.7 电缆敷设

配电硐室内电缆沿电缆沟敷设，配电硐室至驱动部电缆采用梯阶式电缆桥架敷设。电缆桥架在设计中应注意，电缆桥架水平敷设时，桥架之间的连接头应尽量设置在跨距的1/4处左右，水平走向的电缆每隔2 m左右固定一下，垂直走向的电缆每隔1.5 m左右固定一下；电缆桥架跨巷安装时，采用顶吊型安装方式；动力电缆之间的距离不应小于1/4电缆的直径；电缆桥架应与水管分两侧布置，如需同侧布置时，电缆桥架应至少距水管上方300 mm位置安装；电缆桥架装置应有可靠接地，镀锌钢材桥架可利用本体作为接地体，否则桥架内应布置-40×4扁钢作为接地干线，每层桥架的端部用50 mm2软铜线连接(并联)起来，与总接地干线相通，长距离的电缆桥架每隔30～50 m接地一次。

3.8 防火措施

电缆进入沟、建筑物以及配电屏、开关柜、控制屏时，应做阻火封堵；电缆穿入保护管时管口应密封；应按照相关国家标准设置阻火墙。并在阻火墙紧靠两侧不少于1.5 m区段所有电缆上涂刷防火涂料、缠阻燃包带，或设置档火板；防火涂层厚度应达到1 mm。

3.9 智能化配套

目前智能化的应用已成为当代工业技术的趋势，因此在本项目设计中也结合智能化技术的应用，为实现智能化胶带机、智能化矿井做技术支持。本项目中胶带机配置一套KTC101系列的保护控制器，用以检测胶带输送机运行状态、信号、并实现沿线通信，急停闭锁等功能。本项目应用光纤测温系统用以检测胶带输送机沿线的温度异常情况。本项目利用矿井工业视频系统实时监控胶带输送机的直观状态，并采用先进的视频分析软件直接对货载异物进行告警，达到防撕裂保护的目的。