双柳煤矿工作面供电系统的设计

白伟伟

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司 双柳煤矿，山西 柳林 033300）

0 引 言

随着我国煤炭开采技术的逐渐提高，煤矿中使用的机电设备越来越先进，煤矿的开采效率也越来越高，对煤矿开采装备运行稳定性和可靠性提出了更高的要求。装备运行可靠性不仅与自身性能存在紧密关系，与供电系统稳定性也存在很大关联。本文以双柳煤矿33（4）20 工作面为例，在对井下主要用电装备进行分析的基础上，对供电系统进行科学合理的设计，保障矿井工作面正常运行。

1 煤矿工作面主要用电装备概述

1.1 工作面设备

双柳煤矿33（4）20 工作面主要用电装备为采煤机和刮板输送机，型号分别为7LS6C 和SGZ1000/3000，额定装机功率分别为2 345 kW 和3×1 000 kW，额定电压均为3.3 kV。工作面配套有3 台额定电压均为660 V 的水泵，其中2 台功率为45 kW，1 台功率为18.5 kW。

1.2 顺槽设备

破碎机为SZZ1350/525，转载机为PCM525，额定功率和额定电压均为525 kW 和3.3 kV。乳化液泵站中使用4 台乳化液泵，额定功率和电压分别为280 kW 和1 140 V，喷雾泵站中使用3 台喷雾泵，额定功率和电压分别为160 kW 和1 140 V。设备列车部位使用2 台双速绞车，型号为JH-30，单台绞车的额定功率和电压分别为45 kW 和660 V。

2 移动变电站及变压器的选型

2.1 移动变电站数量

利用盘区10 kV 电源对工作面中的机电装备及照明设施进行供电。根据上文分析，工作面用电装备的额定电压主要有3 个等级，分别为3.3 kV、1 140 V、和660 V；照明及保护控制装置使用的电压为127 V。设备列车布置在顺槽皮带巷中，距离工作面200 m，将移动变电站及用电设施的控制开关设置在设备列车上。为了保障井下用电安全的同时降低移动变电站数量，刮板机单独使用1 台移动变电站，采煤机、破碎机、转载机共用1 台移动变电站，乳化液泵站和喷雾泵站共用1 台移动变电站，其他装备使用1 台移动变电站，如图1 所示。

图1 煤矿工作面移动变电站设计Fig.1 Design of mobile substation in coal mine working face

2.2 变压器选型

移动变电站中使用的变压器容量按下式计算：

式中：Pε为移动变电站供应的机电装备功率；φp为所有设备的功率因素平均值，此次设计所有设备的功率因素全部取0.85；Kx为需用系数；Pmax为所有设备中的功率最大值。

根据上述计算方法，将相关数据代入公式进行计算，可以得到对应变压器的视在功率Sb分别为3 529.41、3 254.56、1 543.53、170.48 kVA。根据以上计算结果，确定移动变电站变压器型号分别为KBSGZY-4000/10/3.45、KBSGZY-4000/10/3.45、KBSGZY-2000/10/1.2、KBSGZY-315/10/0.69，对应的视在功率分别为4 000、4 000、2 000、315 kVA，均大于对应的理论计算结果，能够满足矿井实际工作需要。

3 煤矿工作面供电系统设计

3.1 供电系统图设计

根据双柳煤矿33（4）20 工作面实际情况设计的工作面供电系统整体方案如图2 所示。

由图2 可知，为了确保井下工作面供电系统运行的可靠性，在盘区变电所两段母线上分别接入两根进线，两路进线分别接入1 号移动变电站和2 号移动变电站。1 号和2 号移动变电站采用分列运行方式，通过1 号组合开关进行连接。正常情况下，组合开关处于断开状态，2 个移动变电站分别工作，特殊情况下组合开关闭合，确保主要采煤设备的正常工作。刮板输送机采用三用一备，采煤机采用一用一备，转载机和破碎机采用两用一备，乳化液泵站和喷雾泵站分别采用四用一备和三用一备。

图2 煤矿工作面供电系统整体方案Fig.2 Overall scheme of power supply system of coal mine working face

3.2 高压电缆选择

1 号高压电缆的电压为10 kV，长度为5 470 m，用电设备功率为3 000 kW。根据允许持续电流确定电缆截面，电流Igmax==203.78 A，基于此确定的1 号电缆型号为MYPTJ 3×95+3×35/3+3×2.5，该型号电缆允许的长时供电电流为250 A，能够满足实际需要。高压电缆的电阻系数R0 和阻抗系数X0 分别为0.221 Ω/km 和0.08 Ω/km，根据下式可以计算1 号线路电压的损失情况为△U=(R0+X0×tanφ)=444.05 V，小于供电电压的5%，满足要求。

同上所述计算2 号高压电缆的持续电流值为240.06 A，选择的电缆型号为MYPTJ 3×150+3×35/3+3×2.5，该型号电缆允许的长时供电电流为320 A，能够满足实际需要。电压的损失量为366.51 V，小于供电电压的5%，满足要求。

同理可以计算3 号和4 号电缆的持续电流值分别为97.73 A 和9.84 A，据此选择的电缆型号分别为MYPTJ 3×50+3×16/3+3×2.5 和MYPTJ 3×25+3×16/3+3×2.5，允许的长时供电电流分别为170 A 和110 A，对电压损失量进行验算，均能满足要求。

3.3 低压电缆选择

低压侧电缆的选择设计方法与高压电缆基本相同。首先对允许持续电流进行计算，根据电流值确定电缆型号，再对电缆的电压损失量进行验证，确保电压损失不超过输送电压的5%。此次低压侧电缆电流及选择的型号见表1 统计情况，表中电缆编号如图2 所示。

表1 低压侧电缆的电流及型号统计情况Table 1 Current and model statistics of lowvoltage side cable

3.4 低压组合开关选择

在选择低压组合开关时，最基本的原则是其额定电流大于实际的工作电流，为了实现井下供电系统的安全，选择的低压组合开关应具备有过电压、短路、漏电、闭锁等保护功能。根据双柳煤矿实际情况，需要3.3 kV 和1 140 V 两种组合开关，两种类型开关各为9 个回路。

（1）3.3 kV 组合开关。输入方式采用电缆连接器AFA 33A 500A/3300V，输出方式中有7 套43SB 500A/3300V 和2 套43SB 630A/3300V。隔离换向装置选用德国ODU 公司生产的装置，其中7路500 A 和2 路630 A。

（2）1 140 V 组合开关。输入方式中采用的电缆连接器，选用的是浙江乐清公司生产的装置，输出方式同样为该公司的产品，最大工作电压为350 A，隔离换向开关采用4 台400 A/1 140 V 规格的装置，具备换相和带载分段功能。

4 供电系统应用效果分析

在分析双柳煤矿33（4）20 工作面主要用电设备的基础上，对工作面供电系统进行了设计研究。目前设计的供电系统已经成功部署到该矿工程实践中，连续运行时间超过1 a。实践结果表明，设计的供电系统能很好地适应煤矿工况环境，整体运行稳定，使用期间没有出现明显的用电方面的故障问题，而且大功率煤矿开采设备在启动和停机时，对井下供电网络的冲击在可控范围内，为供电系统的稳定可靠运行奠定了良好的基础。

5 结 语

以双柳煤矿33（4）20 工作面供电系统为研究对象，在分析矿井主要用电设施的基础上，对供电系统进行了设计。煤矿中使用的机电设备主要集中在工作面和顺槽，根据采煤机、转载机、破碎机、刮板输送机等装备的位置及功率，确定使用4 个移动变电站；根据变电站对应的负载大小，计算并选择的4 个变压器的视在功率分别为4 000、4 000、2 000、315 kVA，能满足实际需要；在对供电系统整体进行设计的基础上，分别从高压侧和低压侧电缆选择、低压组合开关选择层面对供电系统进行了详细设计。将设计的供电系统应用到煤矿工程实践中，表明应用效果良好，能保障井下设备的安全可靠运行。