李家窑煤矿供电系统的优化改造设计

王永清，梁宝英

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

煤矿供电系统是煤矿生产的重要动力源,其系统设计的优劣直接影响煤矿生产的安全稳定运行和煤炭生产成本。随着煤矿开采水平的不断延伸,井下采掘机械化程度的提高,生产能力的大幅增加,大功率电机等大型电气设备的不断应用,合理优化改造设计煤矿供电系统就显得十分必要了。

1 供电系统现状

左云县小京庄乡李家窑煤矿属于兼并重组整合扩建矿井。原大同市左云县小京庄乡李家窑煤矿和原大同市左云县小京庄乡峙沟煤矿进行资源整合,整合后矿井命名为左云县小京庄乡李家窑煤矿,设计生产能力提升到600 kt/a。

李家窑煤矿整合前设计生产能力210 kt/a,矿井采用双回路电源线路供电,但两回路电源均为“T”接;整合前峙沟煤矿生产能力150 kt/a,电源架空进线架设农混线,且矿井变电所采用单母线运行方式,两个矿均不符合煤矿双回路供电要求。李家窑矿掘进工作面,有“双风机、双电源”,但未实现自动切换;峙沟煤矿掘进工作面的局部通风机无专用线路供电,即局扇用电和生产用电为一趟线路,局部通风机和掘进工作面的电气设备无风电闭锁装置,这些都存在极大的安全隐患,不符合《煤矿安全规程》的规定。

整合前各生产矿井线路老化,压降大,电气设备陈旧,无监控设备及检测系统,漏电保护措施不到位。在防止雷电波侵入井下方面做得较差,仅仅是在入井轨道处安装有绝缘道夹板,此外几乎没有装设任何形式和规格的防雷装置。入井架空供电线路、通讯线路、金属管道一旦遭遇雷击,雷电将沿着进入井下的导线、金属体直接侵入井下各个工作面,引起人员触雷电伤亡或引发瓦斯爆炸。继电保护装置落后,保护不完善,动作不灵敏等事故隐患。资源整合后,矿井用电负荷将大幅增加,需要对供电系统进行优化改造设计。

2 矿井供电系统改造的优化设计原则[1]

1)认真贯彻国家有关安全生产的各项方针政策和法规,按照现行的煤矿安全设计技术规程、规范进行系统优化改造设计。

2)本着减少改造工程量、投资少,见效快的原则,在充分了解供电现状的前提下,尽量利用能安全运行的现有电气设备和线路。做到技术先进、系统简化、经济合理、安全可靠。对不符合技术要求和安全规程的必须进行技术改造或更换,以确保安全、高质量的供电。

3)对提出的优化改造设计方案,要从整体出发,深入论证电源、负荷及线路布局的合理性,并要从定性和定量两方面来论证其安全可靠性和经济稳定性。

4)尽量采用先进技术和设施,建立完善的、灵敏的计算机集中监测监控保护系统。

3 供电系统的优化改造设计[2]

3.1 供电电源的确定

选定合理的供电电源是保证矿井供电安全设计的基础。原李家窑矿采用T接的方式获得矿井供电电源,且架空线经计算也已不能满足资源整合后矿井的负荷载流量和电压降的要求,因此需要重新确定电源和供电线路。

矿井电源点要选择离矿井较近,自身就是双回路进线,变电所母线为分列式运行,且主变压器容量、变电所出线间隔和出线走廊均有富裕的变电所。

李家窑煤矿附近现有酸茨河和马道头两座35 kV变电站。酸茨河35 kV变电站为双电源环网站(开环运行),距离本矿3 km,该站现有两个35 kV环网进出线间隔和一个变压器出线间隔,目前该站装有一台8 000 kVA主变压器,已用负荷4 900 kVA,尚有3 100 kVA富裕容量。马道头35 kV变电站距离本矿5 km,该站为双电源变电站,两段母线分列运行,现有2台3 150 kVA主变,已用负荷4 000 kVA,尚有2 300 kVA富裕容量,由此这两个变电所可为矿井提供安全可靠的电源。

3.2 矿井主变电所

3．2．1 矿井主变电所的位置和运行方式的确定

本次设计结合该矿资源整合后的井田开拓和工业场地布置情况,在矿井主、副斜井及工业场地负荷中心新建一座矿井地面10 kV变电所,以减少供电线路的长度和导线截面积,提高矿井供电质量,并可适应企业今后的发展需要。此变电所担负全矿井地面及井下负荷用电,采用双回路供电。一回电源由马道头35 kV变电站10 kV出线,供电距离5 km,导线型号为LGJ-150型,避雷线为GJ-35(全线架设),钢筋混凝土单杆架设;另一回电源由酸次河35 kV变电站10 kV出线,供电距离3 km,导线型号为LGJ-120型,避雷线为GJ-35(全线架设),钢筋混凝土杆架设。两回10 kV线路一用一备,当一回10 kV电源线路发生故障停止供电时,另一回10 kV电源线路能保证矿井全部负荷用电,符合《煤矿安全规程》规定。作为矿井配电网络的矿井变电所必须采用分列运行母线,以保证二次母线为分列运行母线,接于两段母线的一级负荷才会有两个独立供电电源。

3．2．2 主变压器的选择

矿井变电所主变压器容量不仅要满足矿井全部负荷的需要,而且运行也要满足一级负荷对双电源的要求。在主井地面工业场地设一台S9-1000/10/0.4 kV型变压器作为主供,为减少投资,将原有两台500 kVA变压器并联运行作为备用,主供变压器和备用变压器分列运行,负荷率为74.6%。当一回电源线路或变压器发生故障时,另一台变压器应能担负全部负荷的供电。

3．2．3 电气主接线及主要电气设备

1)电气主接线形式 地面10 kV系统为单母线分段接线,中性点不接地系统;地面供电变压器低压侧中性点直接接地;井下10 kV和660 V系统为单母线分段接线,中性点不接地系统;地面380/220 V配电系统为单母线分段,中性点直接接地的TN-C-S 系统[3]。

2)主要电气设备选择 矿井10 kV变电所采用室内布置方式,变电所内设高压配电室,低压配电室,变压器室和补偿电容室。10 kV配电装置采用直流操作,操作电源选用一套免维护铝酸蓄电池直流屏。

10 kV配电设备选用GG-1AZF成套高压开关柜15台,开关柜元件采用ZN28-10真空断路器,直流操作采用GD17电磁操作机构,电动分合闸。

低压配电室选用S9-1000/10/0.4,1000 kVA,10/0.4 kV变压器两台,供地面380 V设备及照明用电。变压器室内安装,中性点直接接地。低压配电选用GGD-2型成套低压配电柜7台,总进线开关选用CW1-2000智能式断路器,弹簧储能电动操作机构,～220V交流操作。

3)无功补偿形式 由于煤矿生产大量使用电动机、变压器等感性负荷,导致电网功率因数下降,影响了线路和配电变压器的经济运行。李家窑煤矿根据实际情况,采用高低压集中补偿的方法,设计在10 kV母线侧和380 V分别进行集中无功补偿。10 kV母线侧投入2组TBB型无功补偿成套装置,每组电容器上都串联一台磁控电抗器,可实现动态无功补偿和电压调节功能。2台电容器柜单台容量1 188 kvar。380 V低压无功补偿利用现有GGJ-2型低压无功补偿柜。经过无功补偿技术的改造,功率因数由0.74提高到0.92,从而降低了供电线路和变压器的电力损耗,提高供电质量。

4)继电保护装置 变电所控制采用交流操作控制,继电保护采用BHE-300S系列微机综合保护装置。

3.3 地面供配电系统

地面10 kV变电所以双回路10 kV向副井绞车房、风井变电所、井下中央变电所供电;以双回路380 V分别向主井皮带机房、地面生产系统、空气加热室、锅炉房等用电设备供电。以单回路380 V电源向机修间、木工房、矿区联合建筑等负荷供电。除向风井变电所采用架空线路供电外,其余负荷均以电缆放射方式供电,供电电缆采用直埋敷设方式向各配电点供电。10 kV高压电缆选用YJV22-8.7/10型交联铠装高压电缆,～380 V低压电缆选用VV22-0.6/1型交联铠装动力电缆。

在回风井广场变电室利用原有7台KSG1-10高压开关柜和5台KGF-1电控柜,通风机电动机采用变频控制方式,实现通风机变频控制,安装2台S9-315/10变压器,电压10/0.4 kV。设计在通风机房装设ARJC-9在线监测系统,实现电动机工作电流、电机温度,风机轴承温度、风道负压、瓦斯浓度的自动监测。

3.4 防雷和接地

10 kV变电所院内设有四支等高的H12型避雷针；10 kV架空输电线路上装设有阀型避雷器；10 kV变电所内的高压开关柜内装有避雷器,变电所保护接地采用闭环式接地装置。锅炉房烟囱附设避雷针保护,高度以超过15 m的建(构)筑物设避雷带保护,防直接雷击保护,防雷冲击接地电阻值不超过 30 Ω。

为防止雷电侵入井下,由地面直接入井的轨道及露天架空引入(出)的管路及铠装电缆的金属外皮,均在井口处对金属体进行良好接地,且接地点不少于两处。

低压配电系统采用TN-C-S系统,在建筑物进户处应做总等电位联络或重复接地。电气装置金属外壳均应做保护接地。手持式移动设备和照明配电系统中的插座回路应装设带漏电保护的断路器。

通讯线路的电源端装有TDJ220B-20型单相电源避雷器,通讯线路的信号端装有LDH10k24Y型信号防雷器[4]。

3.5 井下供电系统

根据本矿井下开拓布置及负荷情况,确定井下采用10 KV/660 V/127 V供电。井下采掘工作面的电气设备有相当一部分非常落后,甚至不符合《煤矿安全规程》要求,挂网运行后将直接影响供电系统安全可靠和经济运行,因此必须加大力度,更新改造或淘汰此类设备。本次设计井下设综采煤工作面1个,综掘工作面1个,炮掘工作面1个。

3．5．1 井下电缆

入井电缆电源引自地面工业广场10 kV变电所10 kV不同母线段,两回电源互为备用,当任一回电源因故停止供电时,另一回电源仍能保证本矿井全部设备正常运行。下井电缆型号为MYJV22-10 3×70,长度650 m的交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套内钢带铠装阻燃电力电缆,沿副井敷设至井下中央变电所。

井下电缆选用经检验合格的并取得煤矿矿用产品安全标志(MA)的阻燃电缆。井筒和巷道内的通信和信号电缆应与电力电缆分挂在井巷两侧。高低压电力电缆敷设在巷道同一侧时,高低压电缆之间距离应大于0.1 m。高压电缆之间、低压电缆之间的距离不得小于50 mm。

3．5．2 井下电气设备及变电所

本设计选用的井下电气设备符合“煤矿矿用产品安全标志”的规定。10 kV配电装置选用BGP8-10Z型高压真空配电装置;660 V配电装置选用KBZ矿用隔爆型真空馈电开关;井下电动机均选用QBZ矿用隔爆型真空电磁起动器控制;井下变压器均选用矿用隔爆型干式变压器,本矿井下无油浸式电气设备;固定照明电压127 V,选用DGS-13/127矿用隔爆型节能灯具。

本设计在井下新建一座井下中央变电所,与井下主排水泵房联合布置。井下中央变电所设在2＃层,本所两回10 kV电源引自矿井10 kV变电所10 kV不同母线段。本所10 kV和660 V主接线均采用单母线分段接线型式。设计利用本矿现有2台KBSG-315/10,10/0.69 kV型矿用隔爆型干式变压器作为本所的主变压器,两台变压器分列运行,供井下主排水泵、大巷运输等设备用电。2台变压器一用一备,最大涌水量时负荷率79.8%,保证率100%;当一台变压器故障时,另一台变压器可满足井下中央变电所全部660 V负荷的用电需要。

井下中央变电所分别以两回10 kV电源向各采区变电所和局扇供电;以单回10 kV电源向大巷胶带机供电;以双回660 V电源向井下主水泵房供电;以单回660 V电源向轨道大巷、井底煤仓等配电点供电。

本设计在2＃层顺槽掘进工作面口设置2台KBSGZY-50/10/0.69型矿用隔爆型干式变压器作为本采区顺槽掘进工作面的局扇专用变压器,其线路上不得分接其他负荷,以实现井下局扇供电的三专两闭锁,电控装置选用QBZ-4×120/660型矿用隔爆型双风机双电源组合式真空起动器,可保证实现局扇“三专两闭锁、双风机、双电源”等安全措施。掘进面监控分站与瓦斯传感器、局扇开停传感器及断电仪配合使用,当瓦斯超限或局扇故障停止运转时,可切断被控工作面非本质安全工作电源,实现“风电、瓦斯电闭锁”功能。

3．5．3 井下漏电保护及接地

井下低压系统采取中性点不接地方式供电。由地面变电所至井下变电所的电缆线路上均装设零序电流互感器和选择性的单相接地保护装置;井下变电所至移动变电站的馈电线路上装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置;低压馈电线上必须装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置,保证能自动切断漏电的馈电线路。井下660 V用电设备由QBZ型矿用隔爆真空电磁起动器控制,总开关KBZ-400/660型矿用隔爆低压真空馈电开关的保护器具有保护精度高、反应速度快等优点,保护器能实现漏电保护、漏电闭锁、过载、短路及欠压保护功能,对低压配电线路起保护作用,分支开关KBZ-200/660型的保护器能实现功率方向选择性漏电保护、漏电闭锁、过载、短路及欠压保护功能;煤电钻控制采用ZBM-4型矿用隔爆型煤电钻综合装置;井下照明及信号馈电线路上,选用设有自动切断漏电馈电线路的ZBX-4型矿用隔爆型照明信号综合保护装置。井下配电变压器中性点严禁直接接地,以减少漏电或触电电流。

为了防止井下人身触电,保证人身安全,按照《规程》要求,必须将电气设备的金属外壳进行可靠接地。根据井下电气设备的实际布置,在井下主、副水仓中各埋设一块主接地极,在机电硐室、配电点等地点附近的巷道水沟及其它就近的比较潮湿处装设局部接地极。所有局部接地极和电气设备的保护接地装置均应可靠联接,并与主接地极相连,形成井下总接地网。接地网上任一点测得的接地电阻值均不超过2 Ω;每一移动式和手持式电气设备至局部接地极之间的保护接地用的电缆芯线和接地连接导线的电阻值不超过1 Ω。

3.6 矿井监控系统

本次设计在矿井建立了工业以太网,设置了井上、井下电网安全监测监控系统、产量监控系统、井下人员定位监控系统等,实现地面调度中心远程监测监控。将各种安全、生产监测监控系统接入工业以太网,形成全矿井综合自动化系统,实现矿井生产自动化、管理信息化。

4 结束语

本次对矿井供电系统的改造设计,优化了供电系统,新建的矿井变电所深入到负荷中心,减少了供电系统的电能损耗,提高了供电的可靠性。采用了先进的技术装备,设置了计算机监测、监控设备,实现了矿井供电系统运行的全面监控,为矿井安全生产提供了保障。采用了大量的新型设备,延长了停电检修周期,减少了维护工作量和年运行费用。

[1]刘国军．成庄煤矿供电自动化系统的技术改造[J].煤矿机电,2009(1):79-81.

[2]刘桂平．崔庄煤矿供电系统技术改造[J].煤炭工程,2005(2):11-14.

[3]刘小柯．小煤矿供电系统安全性能探讨[J].煤矿机械,2009(10):179-181.

[4]李洪美．提高煤矿供电安全可靠性的探讨[J].能源技术与管理,2010(1):140-141.