煤矿采区变电所供电方案设计及其实践应用*

张海鹏

(山西阳城阳泰集团竹林山煤业有限公司，山西 阳城 048105)

0 引 言

煤矿开采中需要使用大量的机电设备，这些设备绝大部分都需要通过电力作为动力来源[1]。由此可见，供电网络对于矿井开采过程的稳定运行具有重要的作用[2]。随着煤矿开采技术的不断发展和对煤矿开采效率要求的逐渐提升，煤矿开采设备也朝着重型化、大型化方向发展，功率大小均有了显著提升[3]。这对井下供电网络的稳定性提出了更高的要求[4]。采区供电网络如果设计不合理，则会经常出现漏电，短路，保护器拒动、误动、越级跳闸等故障问题，严重影响煤矿开采过程的连续性，进而对开采效率产生不良影响[5-6]。笔者在充分分析煤矿采区实际情况的基础上，对采区变电所供电方案进行了设计，并将其应用到工程实践中，发现供电网络整体运行过程稳定，达到了预期的效果。

1 煤矿采区及用电设备概述

某矿井设计的年产量为150万吨，正常工作时内部包含有两个综掘机组以及一个综采机组，此外还包括其他的排水设施和运输设施等。为了确保井下机电设备的稳定运行，现需要对采区的变电所供电方案进行系统的设计研究。对采区中使用的采煤设备进行统计发现，主要包括掘进机、采煤机、刮板输送机、带式运输机、转载机、破碎机等，此外还包含有照明设备、排水泵等辅助设施。对这些用电设备功率进行统计，大小共计为2 500 kW左右。用电设备电压等级主要分为两种，第一种为采煤设备如采煤机、刮板输送机等，用电电压为1 140 V，第二种为其他辅助用电设备，用电电压为660 V。

2 采区变电所总体供电方案设计

2.1 变电所基本要求

采区变电所从煤矿地面的35 kW/6 kW变电站中进行引线，为了保障采取变电所的运行稳定与安全，要求将变电所设置在围岩相对比较稳定的巷道位置，并且对通风机设备进行独立供电，以确保通风设备能够长时间稳定运行。另外还要求采区变电所采用双回路对井下设备及其他辅助设施进行供电。

2.2 总体供电方案设计

根据该煤矿采区实际情况，设计了两种供电方案，分别为单母线供电和双母线并列供电。两种方案各自有其优缺点，但最终决定采用双母线并列运行方式进行供电，其中对通风机进行单独供电。图1所示为设计的煤矿采区变电所总体供电方案示意图。

图1 煤矿采区变电所总体供电方案示意图

采取变电所正常工作时采用双母线并列方式运行，其中一条母线对通风机专门供电，以确保通风机能够长时间安全稳定运行，另一条母线通过分段方式对煤矿采区所有的用电设备供电。这种供电方式缺点是需要对通风机使用两台进线高开，会使变电所整体建设成本有所提升。但方案的优势也非常明显，采用双母线并列方式运行，两条母线之间运行时互不干扰。即便采区其他用电设备出现故障问题，导致供电线路无法正常供电时，通风机的供电线路还可以正常工作，以保障矿井安全。另外，在设计阶段对母联开关两侧的采煤设备功率大小进行合理分配，确保两侧的功率平衡。

结合矿井采区实际情况，将变电所设置在大巷中部位置，该位置的围岩较为稳定，可以保障变电所的安全性，有两个出口，分别为一进一回，两个出口分别与大巷和回风大行连接。在对变电所位置尺寸进行设计时，不仅要考虑设备尺寸大小及其安全运行间距，同时还要考虑以后的维修方便。基于此，将变电所位置的宽度和长度分别为设置为5 m和25 m。在巷道两侧位置分别设置排水沟和电缆沟，如图2所示为煤矿采区变电所部位的截面示意图。

图2 煤矿采区变电所部位的截面示意图

3 采区变电所主要设备的设计与选型

3.1 变电器容量的计算与选型

采区用电设备的总体功率虽然在2 500 kW左右，但这些设备并不会同时运行。根据煤矿开采情况，正常运行时的功率大小大约为总体功率的35%～40%。变电所设备总容量S可通过下式进行计算：

式中:∑PTe表示同时运行的采煤设备额定功率大小，假设正常运行时的功率大小为总体功率的40%；cosφ表示井下供电线路的功率因数，按照0.85计算；kf、ηpj和η1分别表示设备平均效率、负荷系数、电网效率，分别按0.9、0.75和0.93计算。则可以计算得到变电所设备总容量S约为1054 kVA。根据计算结果选用的2台型号为KBSG2-T-630/6的变压器，属于本质安全型变压器。

此供电方案中需要对通风机系统进行单独供电，需要单独设置专用变压器。整个通风机系统的功率大小为120 kW，同样可以计算得到需要的专用变压器容量大小为126 kVA。根据计算结果选用的变压器型号为KBSG2-T-315/6，同样属于本质安全型变压器。为了提升矿井通风系统运行的安全性，设置了2台变压器专供通风系统使用，其中1台主用，1台热机备用。

3.2 主要电线电缆的选择

假设矿井每年正常工作330天，每天主要的采煤设备运行16 h，则煤矿采区变电所每年运行的时间在5280 h左右。综合考虑电线的使用安全性和经济性，经过计算后决定地面变电站引线至采区变电所采用的电缆型号为MYJV22-3×120，该型号电缆的心部为三根截面面积为120 mm2的铜线组成，表面通过聚氯乙烯绝缘材料进行裹覆。而通风机专用变压器使用的电缆要求相对较低，具体型号为MYJV22-3×90。经过严格的验算，发现该型号电缆完全能够满足采区变电所长时间运行时的基本要求，保障供电系统的安全。

3.3 其他主要电气设施的选用

充分考虑矿井实际供电情况，最终选用BGP9L-6型高压配电装置，此型号变压器为我国自主设计研究生产，已经达到了到了国际先进水平。BGP9L-6型高压配电装置可以对电压范围在3～10 kV的供电系统进行实时的监测与控制，并做出相应的保护。经过计算，采取变电所正常工作时的负荷电流大小约为390 A。基于此，选用的高压配电装置额定容量大小为400 A。

由于采区中的采煤设备及其他用电设施分散范围较广，如果只是采用一个低压馈电开关已然无法满足实际使用需要，结合实际情况选用多台低压馈电开关的方式进行供电。另外，照明系统和瓦斯电闭锁监控电源采用的综合保护装置型号分别为ZXZ4-2.5/660和ZXZ8-4/660。

4 采区变电所供电方案实践应用效果分析

如图3所示为最终的煤矿采区变电所具体供电方案，将文中设计的煤矿采区变电所供电方案应用到煤矿工程实践中，对其运行状态进行了连续6个月时间的检测。结果发现该供电方案可以很好的满足煤矿开采需要，达到了预期的效果，采煤设备及其他的辅助用电设施能够安全稳定运行，鲜有出现断电的情况。综上，采区变电所供电方案的实践应用，为煤矿高效率开采奠定了坚实的基础，得到了煤矿企业人员的一致认同。

图3 煤矿采区变电所具体供电方案

5 结 语

煤矿采区供电系统是煤矿正常开采的基础，供电方案的优劣会对采煤过程的连续进行及其采煤效率产生重要的影响。此次研究充分结合煤矿中使用的采煤设备及其他电气设施情况，对采区供电方案进行了系统全面的设计，对主要的电气设备，如变压器、电缆和高压配电装置等进行了选型。将设计的采区供电方案应用到煤矿开采实践中，进行连续半年的监测发现，供电系统整体运行稳定，期间没有出现大面积断电情况，为煤矿的正常稳定推进奠定了坚实的基础，为煤矿企业创造了良好的经济效益。