董东煤矿50118掘进工作面供电设计与实践

雷琳博，李海川，白翰林,白全林

(1.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 渭南 715200；2.西安电子科技大学 基本建设处，陕西 西安 710071；3.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

近年来，随着煤矿开采的不断深入，长距离掘进巷道也变得愈发常见。与此同时，由于澄合矿区开采地质条件复杂，煤矿顶底板压力较大，巷道起伏大，巷道变形、底鼓、高低道严重，造成设备移动难度大，需要进行扩帮、起底，造成设备移动效率较低。因此，传统的近距离供电已不能满足现有矿井的供电要求，需要采用远距离供电，即将移动变压器放置于巷道口，该供电方式解决了移动机电设备困难的问题，但同时又出现了新的问题，长距离供电意味着线路压降过大，设备启动困难，设备转矩达不到额定要求，供电线路电压波动明显，且保护灵敏性较差，给供电带来了很大的挑战[1-3]。为此，提出采用远距离供电的模式，通过分析计算确定影响供电系统关键技术参数的内在因数，进而提高电能质量，以保证掘进工作面安全、可靠、优质的供电，为矿井的安全、高效生产奠定坚实基础。

1 供电系统方案设计

1.1 工程背景

澄合董东煤矿为年产120万t的现代化矿井。50118掘进工作面是一个由综掘机、刮板输送机、胶带输送机、无极绳绞车、水泵、钻机等设备组成的以掘进为目的的复杂系统，自动化、机械化程度较高。运输巷道距离长约800 m，为独头巷道，全部负荷达459 kW，具有巷道底鼓，运输条件较差、供电距离远、负荷大等特点，给矿井安全供电、安全生产及高效生产造成了很大的压力。

1.2 电力负荷

供电系统采用远距离供电的模式。在掘进工作面巷道口安装一台移动变压器，作为综掘工作面机电设备的动力电源，高压端电压为10 kV，低压端电压为660 V，通过KBZ型馈电开关及QJZ系列真空磁力启动器为综掘工作面机电设备供电。综掘工作面主要的机电设备电力负荷统计见表1。

表1 工作面机电设备电力负荷统计Table 1 Electricity load statistics of electromechanical equipment in working face

1.3 移动变电站容量选择

根据掘进工作面实际负荷统计情况，利用需用系数法确定移动变压器容量[4]。需用系数的计算见式(1)

(1)

工作面负荷容量计算见式(2)

(2)

式中，S为移动变电站容量，kVA；cosφ为用电设备的加权平均功率因数，取0.7；∑Pe为总额定功率，kW。综上，根据计算结果，选择KBSGZY-630/10移动变压器即可满足该工作面电力负荷的需要，保证该工作面的电力供应。

1.4 低压电缆的选择和校验

1.4.1 供电系统

根据50118综掘工作面生产布局，结合工作面实际情况，现拟定该工作面供电系统如图1所示。

图1 50118综掘工作面供电系统Fig.1 Power supply system of 50118 fully mechanized excavation face

1.4.2 电缆截面选择

50118掘进工作面1台移动变压器提供所有的动力负荷，共计3个供电回路，单台电动机供电的电流计算。按照电动机额定电流计取，对于多台电动机馈电回路的供电，计算电流按照需用系数计算电流[5-7]。综掘机回路1的计算电流为

(3)

水泵回路2的电流计算为

(4)

式中，∑PN为干线电缆所供的电动机额定功率之和，kW；UN为电网额定电压，kV，取660 V；KX为需用系数，取0.8；cosφ为所带负荷的加权平均功率因数，取0.85。同理可得，输送机回路3的计算电流为177 A。根据各回路计算电流选择电缆截面，依据最大计算电流小于电缆载流量原则选择合适的电缆截面，电力电缆载流量见表2。综掘机回路1初选型号MYP-0.66/1.14 3×120+1×35，额定载流量280 A>176 A，可满足要求。输送机回路2初选型号MYP-0.66/1.14 3×120+1×35，额定载流量280 A>177 A，可满足要求。水泵回路3初选型号为MYP-0.66/1.14 3×50+1×16，额定载流150 A>77 A，可满足要求。

表2 电力电缆载流量Table 2 Current carrying capacity of power cable

1.4.3 电缆截面校验

综掘工作面供电系统的系统阻抗、移动变压器阻抗及各供电回路关键技术参数见表3。根据《煤矿井下供配电设计规范》(GB 50417—2007)第6.3.3条规定，“正常运行时电动机的端电压允许偏移额定电压±5%，个别特别远的电动机允许偏移-8%～-10%”[8]，660 V系统末端的电压损失不得超过5%，允许的电压损失ΔU=63 V，根据电压损失校验截面应选择一条所带负荷较大、供电线路较长的回路，如果最小线路能满足要求，其它线路也能满足规范要求。在50118掘进工作面中，综掘机回路1距离较远，因此，只需要对综掘机回路进行电缆压降计算即可。

表3 工作面供电系统关键技术参数Table 3 Key technical parameters of working face power supply system

则移动变压器的电压损失为

ΔUT=

×U2N/100=15.9 V

(5)

式中，Iw为正常运行时，变压器低压侧的负荷电流，A；U2N为变压器二次侧额定电压，V；U2N为变压器二次侧的额定电流，A；ΔP为变压器的短路损耗，W；SN为变压器额定容量，kVA；UK为变压器的阻抗电压百分数。经计算得移动变压器的电压损失为15.9 V。

干线和支线电缆中的电压损失为

(6)

式中，L为电缆长度，0.8 km；UN为电网额定电压，660 V；R0,X0为电缆单位长度的电阻和电抗，Ω/km；tanφ为电动机平均功率因数相应的正切值，取1.02。经计算，干线和支线电缆中的电压损失为46.128 V。

综上，综掘机回路1电压损失总和为∑ΔU=15.9+46.128+0=62 V。经校验，该压降小于允许最大损失电压63 V，因此，校验合格，电压降在允许的范围内。

1.5 过流保护整定及校验

1.5.1 过流保护整定

综掘工作面综掘机包含2个电动机，分别为截割电动机和油泵电动机，其功率分别为100 kW和45 kW。2台电动机采用分别启动的方式启动，综掘机馈电开关整定值计算见式(7)

IZ=Ist+∑In-1

(7)

式中，IZ为过流继电器整定动作电流值，A；Ist为最大一台电动机额定启动电流，取100×1.15×6=690 A；∑In-1为除最大一台电动机外所有电动机额定电流之和，45×1.15=51.8 A。计算得到过流继电器整定动作电流值IZ为 741.8 A。为保障工作面电机安全运行，整定值需具备一定的可靠性[9-10]。取可靠系数1.05，设定电流整定值为780 A。

最远端两相短路电流计算见式(8)、式(9)

(8)

(9)

1.5.2 灵敏度校验

灵敏度系数的计算见式(10)

(10)

代值得，灵敏度系数为2.3。灵敏度系数大于1.5，整定计算值满足灵敏性要求。

2 方案实施效果

董东煤矿50118综掘工作面远距离供电设计方案自实施以来，取得了显著的经济效益、安全效益和社会效益。

2.1 满足供电要求

董东煤矿50118综掘工作面远距离供电设计实施后，经实际测试，空载时变电站出口电压为690 V，工作面控制设备处测得电压为690 V。负载时，掘进机显示电压为650 V，完全满足设备的正常供电要求，为掘进工作面的安全、可靠、优质供电提供了强有力的保障。

2.2 方案优势

该工作面长距离供电方案的有效实施，降低了辅助运输过程中所带来的安全隐患。人员通行及设备运输更为方便，减少了巷道的运输压力。降低了移动维护设备的工作量和职工的劳动强度，大大提高了生产作业的效率，具有显著的经济效益，为该矿井的安全、高效生产奠定了坚实的基础。

3 结语

为了满足澄合董东煤矿50118掘进工作面的供电要求，通过理论计算，确定了移动变压器、电缆、开关的选型，并校验了开关保护动作的灵敏性，校验结果符合规范要求。实践运行经验表明，该设计合理，保护动作灵敏可靠，确保了掘进工作面供电的连续性、稳定性、可靠性。同时，将移动变压器放置于巷道口，实现了远端供电，避免了移动变电站随掘进工作面频繁移动，减少了电缆敷设等工序，大幅度降低了掘进工作面劳动强度，改善了掘进工作面的作业环境，具有较好的经济实用性。