应急电源在金鸡滩煤矿中的设计应用

王庆洲

（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）

金鸡滩煤矿出现整个矿井停电时，很有可能造成淹井事故的发生，严重威胁到矿井安全生产及员工的生命安全。本着“以人为本，安全第一”的方针，配备矿井应急电源[1-2]，保障煤矿外部进线电源全部中断后的矿井撤人、排水等应急用电需求。

1 矿井概况

金鸡滩煤矿位于陕西榆神矿区，矿井采用斜井开拓方式，采用中央并列式通风、机械抽出式通风方式，主斜井、副斜井进风，回风立井回风。金鸡滩煤矿目前已回采完6 个工作面，已形成采空区积水13 处，积水面积约2 861 163 m2，积水总量为4 282 164 m3，井下涌水量2300 m3/h。

2 增设应急电源的必要性

2020 年11 月8 日，金鸡滩煤矿因地网榆林供电公司管理的上级变电所事故停电造成全矿停电涉险事故，对安全生产造成重大影响。

在发生矿井停电事故时，井下工作人员可以乘坐防爆柴油无轨胶轮车由井下经副斜井安全抵达地面，保障井下主排水系统在失去外部电源的情况下仍能正常运行。

3 矿井供电系统现状

矿井工业场地建有110 kV 变电所一座，两回110 kV 进线电源均引自110 kV 金鸡滩变电站不同母线段，双回路电源一回路运行、一回路带电热备用。

工业场地110 kV 变电站安装2 台SZ11-31500/110/10.5 kV、31 500 kVA 型三相双绕组全密封式变压器，同时工作，负担全矿井负荷用电。

地面110 kV 变电所内110 kV 及10 kV 配电开关柜均为户内布置，主变压器室外布置。10 kV 室内安装43 台KYN28A-12 型铠装移开式交流金属封闭开关柜，Ⅰ段1 台备用开关，Ⅱ段2 台备用开关。

4 矿井应急负荷容量

结合矿井实际生产情况，在考虑到矿井供电系统出现故障后，应急电源保障24 h 内井下排水、矿井水处理及矿井通风设备用电。故障出现后，及时关闭各工作面密闭放水口，降低工作面密闭排水，工作面停止生产用水，并考虑各泵房水仓容积，确保安全排水。

金鸡滩煤矿需保障的应急电源主要有中央排水泵房应急排水泵1 台（10 kV，1000 kW）、一一盘区排水泵房应急排水泵1 台（10 kV，1000 kW）、东翼排水泵房排水泵1 台（10 kV，500 kW）以及矿井水处理系统和矿井通风系统等其他相关应急负荷。经计算，金鸡滩煤矿应急电源需保障用电负荷：有功功率6270 kW，无功功率3 703.8 kvar，视在功率7 288.24 kVA。

5 应急电源方案

5.1 柴油发电机组容量确定

金鸡滩煤矿应急电源配置考虑保障部分排水泵、通风及地面水处理系统及其附属低压负荷，总有功功率6270 kW，最大单机功率1000 kW。

（1）按稳定负荷计算发电机容量

发电机总负荷计算功率：P∑=6270 kW；

所带负荷的综合效率：η∑=0.88；

发电机额定功率因数：cosφ=0.8；

发电机视在功率：

（2）按尖峰负荷计算发电机容量

发电机允许短时过载系数：KG=1.5；

最大单台或成组电动机的起动容量：Sm=3529 kVA（按照单台1000 kW 水泵，3 倍启动容量考虑）；

因尖峰负荷造成电压、频率降低而导致电动机功率下降的系数：Kj=0.92；

发电机视在功率：

（3）按发电机母线允许压降计算发电机容量

发电机母线允许电压降：ΔU=0.2；

发电机瞬态电抗：X'd=0.2；

最大单台或成组电动机的起动容量：SstΔ=3529 kVA；

发电机视在功率：

三种方式取最大容量=8 906.3 kVA。

（4）柴油发电机的额定功率系指绝对大气压力PX为100 kPa（或海拔高度0 m）、环境温度Tr为298 K（25 ℃）、空气相对湿度30%的情况下，保证能连续运行12 h 的功率（包括超负荷110%运行1 h）。金鸡滩煤矿海拔1256 m，空气相对湿度60%，日平均最高气温为28 ℃，历史最高气温36 ℃，修正系数为0.78，日平均最低气温为-13 ℃，历史最低气温-25 ℃，选用-35#柴油。

（5）按单台2000 kW 发电机选型计算

输 出 功 率：2000×0.78=1560 kW； 发 电 机的功率因数：0.8；发电机的容量为1950 kVA；8906.3/1950=4.57 台，设计选用5 台。

通过以上计算，综合考虑富裕容量，设计选用5 台功率为2000 kW/2500 kVA 的柴油发电机组，输出电压为10.5 kV。

5.2 电气主接线系统

柴油发电机所发电力经电缆接入配电舱10 kV母线，通过配电舱10 kV 母线，经一回路10 kV 出线，送入110/10.5 kV 主变电所10 kV 配电室8#备用柜。

柴油发电机10 kV 配电舱电气设备：高压开关柜选用KYN44-12 铠装中置式金属封闭开关柜，共7 面。主要包括： 1#～5#柴油发电机出口断路器柜、PT 柜至110 kV 变电所馈线柜。

每台柴油发电机集装箱需要提供DC220V 直流操作电源，高压配电集装箱内配120AH 直流屏。

由矿井110/10.5 kV 变电所配电室为配电集装箱提供一路380 V、120 kW电源，作为市电总低压电源。配电集装箱内设置低压配电箱一台，为每台发电机组集装箱提供一路380 V、20 kW 电源，供预供油泵、蓄电池浮充电和方舱照明等使用。市电和发电机组两路AC380V 电源为每台集装箱机组进行供电。

110 kV 变电所新增设备：采用110 kV 变电所现有8#备用柜作为进线柜，无需新增开关设备。

5.3 输电线路

选用2 根NHYJV22-8.7/10kV-3×240 电缆，电缆沟内敷设时允许载流量966 A ＞563 A，满足要求。

由柴油发电机组配电舱至110 kV 变电所10 kV 开关柜电源线路采用电缆沟敷设方式，线路长度约0.2 km，电缆型号为2×（NHYJV22-10 kV-3×240）。

5.4 继电保护的设置

（1）柴油发电机保护功能：超速、欠速、油压低、水温高、油温高、过电压、欠电压、过电流、过载、过频、欠频、蓄电池电压低、三次启动失败、冷却水液位低报警等保护功能。

（2）10 kV 线路保护：电流速断、过电流、单相接地保护。

（3）10 kV 变压器保护：电流速断、过电流、单相接地保护、变压器绕组温度高。

5.5 发电机组并机控制

发电机组通过电站控制器将发电机保护，机组起、停控制，调速、调压、同步，电站功率管理等高度集成，具有如下功能：

（1）控制器控制模式的切换。控制器前面板具有“自动”“手动”模式按钮，可人工通过控制器前面板按钮切换运行方式，也可设置一键按钮（例如控制柜前面板上的按钮）进行切换。

（2）负载分配。控制器采用数字式自动负载分配控制器，将负载（有功和无功）在各机组间进行均分。

（3）手动同步和负载分配功能。具有自动、手动同步和负载分配功能，在主控制系统出现问题时，每台机组可以分别与母排实现手动并机。机组通过手动并机后，所有在线并机机组可按比例进行负载分配。

（4）调速、调压。具有调速、调压功能，可进行发动机调速和发电机的调压功能，即有同步、合闸、负载分配等功能。

（5）控制器屏幕显示。控制器显示屏可用中文显示出机组参数。频率(范围45～55 Hz)；功率因数；运行时间；发电机电压；发电机电流；发电机有功功率；发电机无功功率。蓄电池；可自动检测电池电压，可设置低压报警。断路器事故跳闸（含发电机过电流，供电母线、短路、断相、电压过高、失压等故障）；机油温度高（预报）；机油压力过低（停机）；水温过高（停机）；机油压力低（预报）；水温高（预报）；发动机超速；三相负荷不平衡超限；电池系统故障等。断路器的闭合；发动机自动控制运行；空气断路器断开；发动机手动控制运行；发电机带负载运行；主电源供电正常。

（6）电站功率的均衡分配。控制器之间采用CAN BUS 进行负载分配，机组控制器之间是通过CAN 总线连接的，有功分配及功率管理是通过CAN 总线来实现的。

5.6 供油系统

柴油发电机组本体日用油箱容量为1000 L，日用油箱采用高位布置，本体布置油位继电器和油位计，设有HH、H、L、LL 点，提供4～20 mA 信号供油控制柜采集使用，可由集装箱中的火灾报警系统报警开关控制，当遇到火灾报警系统动作时，可以通过重力卸油。

根据厂家资料，柴油发电机组单位耗油量为0.2 kg/kWh，-35#柴油密 度为0.82 kg/L，2000 kW 柴油发电机组日用油箱1000 L，额定功率下持续工作时间为：T=0.2×2000=400 kg/h；t=1000×0.82/400=2 h。

根据以上计算结果，若满足5 台2000 kW 柴油发电机额定功率下持续工作超过2 h，矿方应租赁相应容量加油车作为发电机组备用储油设施，电动油泵根据日用油箱油位自动进行补油。

6 结语

在煤矿企业中增设第三电源作为应急电源，尤其是采用稳定可靠的柴油发电机组作为应急电源是非常必要的，值得在煤矿企业或对供电可靠性要求高的相关企业推广使用。