试论煤矿井下供电节能线路设计与设备选型

李红兵

（山西晋煤集团阳城晋圣润东煤业有限公司，山西晋城 048100）

0 前言

煤矿行业井下作业会受多方面因素的影响，如恶劣的作业条件和环境等，常存在较大安全隐患，加上电力需求的剧增，对井下供电线路的设计和设备质量都提出了更高的要求。因此，为降低井下供电系统的耗能、提高供电的安全可靠性，还应加大煤矿井下供电节能线路设计及设备选型研究力度。

1 煤矿井下供电系统结构和特点分析

1.1 系统结构

煤矿井下供电系统构成较为复杂，根据井下深度的不同又有高压和低压两种供电系统。该系统是由煤矿地面变电所的相关配电装置、变压器和供电线路通过电缆把电力传送到井下中央变电所或采区变电所，并经过变配电点，整个电力输送过程便会形成供电网，也即供电系统[1]。其涉及的供电线路十分复杂、作业设备种类较多，如变压器、配电箱、传感器、断电器、保护接地装置、组合开关、防爆运输机车、通风机等等，若井下供电不足或停电停风，则有可能使瓦斯积聚进而引发瓦斯和煤尘爆炸等重大安全事故。而系统运行过程中常需要多台设备同时启停，产生的负荷极大，这便需要一个更加完善的供电系统支撑电力资源的传输与应用。

1.2 供电特点

煤矿行业生产环节多而杂，是耗能较多的行业之一。并且井下作业环境较差，供电线路设计复杂，设备负载率大，加上内部和作业空气中会有一定的易燃材料和物质，进而容易给井下供电系统运行的稳定性和安全性带来较大冲击，也会加大供电设备和线路运行的损耗和安全隐患，严重时甚至出现漏电、起火、爆炸等安全事故，威胁着井下作业人员的生命安全。这便使得煤矿井下供电具有安全隐患高、设备损耗相对较大、受地质和环境多种因素影响大等特点。因此，为降低电能损耗，实现井下供电的节能环保，对供电节能线路的设计要求非常高，且要配备与当地地质条件和作业需求相适应的供电设备来满足井下电能运输的需要。

2 煤矿井下供电节能线路设计探究

煤矿井下作业过程复杂且烦琐，电能消耗很高，其成本在煤矿行业总生产成本中占比也较大。因此，节能是目前煤矿行业实现可持续发展的战略目标和手段。这便需要煤矿行业不断优化井下供电节能线路的设计，确保设计符合国家节能相关的法律法规、政策以及供电线路设计要求，在提高线路运行可靠性和效率的同时，减少线路产生的损耗，也为企业降低生产成本。

2.1 自动化供电系统设计

目前，我国煤矿井下供电系统常用的是深井和浅井两种。但无论何种，还应利用现代化的高效技术来完善系统，打造自动化的节能的供电系统，为井下作业提供充足照明以及长时间的电源支持，避免出现设备突然停运而引发电力故障的情况，所以在提高供电质量的同时加强对施工人员的安全保障。该系统的设计首先可以从其主要的功能模块入手：①可以结合电子机械间的空间关系建立能量系统，对电缆长度进行自动计算和自动生成系统图。其中需要运用机电设备的数量及其三维空间坐标、电缆实体中间点的坐标及数量等变量进行计算。②根据图形信息和系统供电参数来计算线路和设备的电力损耗，并且会通过改变当下的图形信息促进系统参数变化，减少电流损耗。③会形成一个设备参数数据库，容纳井下绘图设计、设备选型、地面设备计算、电缆绘制、设计结果统计等方面的数据图形信息，实现自动设计和管理的功能。其次，选用新型节能的系统设备，尤其是变压器和电动机，在确保容量合适的基础上，选择固有损耗低的变压器和电动机，以达到降损的目的。同时可根据电动机运行温度适当减少电动机容量，以提高其自然功率因素。具体选型见下文。最后，还要优化煤矿井下和地面自动控制系统的设计，结合作业需要设置有效的操作指令来控制相关供电端口的运行，从而及时调节供电需求。

2.2 供电节能线路的设计

煤矿井下供电系统主要通过设计多组回路来构建供电网络的架线，进而实现双供电回路的持续电力供给。但由于这种架线技术工艺和流程比较繁杂，不仅影响着供电系统和电流传输的安全，还会产生极大的能源损耗。因此，在优化井下供电节能线路设计时，工作人员要从井下中央变电所或采区变电所的供电线路入手，秉持降低供电线路损耗的原则，有效节省线路运行中的电能，以践行我国节能政策的理念，提高资源能源的利用率。

首先，选用智能化的开关装置，以便可以及时对设备安全故障或耗能情况进行拦截阻止，如ZNCK-2A 高压开关智能测控保护器测试系统等。同时，做好开关装置保护工作。了解井下各供电开关设备的作用，并将其进行分类，例如对于出线开关应设置相应的保护来加强线路的安全，进线开关则无需设置。还有直配负荷开关，它只通过较短的电缆便可接触到高压设备，因而也需要设置保护，对于将分隔单母线的分段开关则不用设置保护。

其次，优化井下中央变电所供电节能线路设计。①减少线路电阻。选用电阻率偏小的导线，降低线路电阻值，并根据施工要求缩短导线长度，以免加大电阻。在敷设导线时应尽可能保持直线状态。②坚持供电备用节能线路和主线路平行设计的原则，在线路输入端口设计一个断路诊断装置，当出现断路情况时，该装置便会向备用节能线路系统反馈断路信号，此时便会即刻闭合进线开关，并启动备用电源实现节能目的。③有效降低供电线路的损耗，实现节能，可根据当地供电线路的建设与分布等实际情况采取就地补偿与集中补偿相结合的方式。

最后，优化采区变电所供电节能线路设计。在线路的选用上也需参照文章上述的要求。如可应用10V 高压输电线路，工作面配电点使用660V 和1140V 低压输电线路。在同时注意敷设方式，并尽量避免出现“走回头路”的现象，以提高线路输电的效率。供配电线路可以根据经济电流密度来选择合理大小的导线截面，使井下巷道空间愈加畅通、减少电气设备列车。并且可以采用工作面配电点直流供电的方式，将多个用电设备与供电网络建立柔性连接，当负荷处于再生制动状态时，便可将电能直接反馈到电网，进而实现直流输电网络扩容和节能的效果，促进供电系统的增容升级[2]。在低压配电中，可实施季节性负荷的用户接入方案，如可将其作为山区等地常年使用的供电线路，以实现节能。

3 煤矿井下供电节能设备选型探究

煤矿地面供电综合自动化系统的设计与应用，可为井下作业人员提供安全保障。但有些地区煤矿井下供电设备比较落后和陈旧，无法满足供电系统运行的需要，进而时常在电力运输过程中造成较大的电力消耗。因此，为进一步提高煤矿井下供电的节能效果，还应做好节能设备的选型工作。目前，我国煤矿的电气设备主要有一般型和矿用防爆型两类。如真空配电系统会应用PBG1-10 防爆、隔爆型装置等。在煤矿井下供电节能设备的选型上，工作人员要掌握当地煤矿井下作业环境、地质地势等状况，淘汰现有耗能大的老旧设备，采用符合国家标准产品质量标准的设备，避免出现过载情况，并充分考虑排水、通风、井下和地面运输、提升、供电等方面设备的选型和应用。

①选用材质好、性能先进、低能耗、容量合适的变压器。例如选用由非晶合金材料制造的S15 型变压器，它不仅具有抗震、效率高等性能，还可有效降低负载和电力损耗并减少资源浪费。②选用节能提升设备。根据供电系统设计需要选择型号适用的传输皮带、减速器、发电机、变频器等装置，如DTL100 型皮带、ZSY500-50 型减速器、功率 2×160kW 电压 380V 的发电机等，有效降低提升过程产生的电力消耗[3]。③优化通风设备，选择科学合理的巷道断面，结合供电线路设计最大程度上减少断面弯道和变化，从而有效降低井巷阻力和通风设备的损耗，达到节约风能、电能资源的效用。④选用主排水泵节能设备。如设置三台型号为MD280-43×5 的多级离心泵，分别用来作业、检修、备用。需注意同一设备组中所有装置型号要相匹配。⑤全面实行绿色照明。在确定煤矿井下供电电压等级的基础上选择合适的照明节能设备。井下和地面均使用高效的节能照明灯具，无需长期照明的地方则可使用定时照明设备或光电控制设备，应用于煤矿井下巷道、采掘工作面中等等，以减少电力消耗。如井下矿用防爆灯可采用127V 的MB14-21/127 型矿用节能荧光灯进行照明；厂房、车间等地方可选择高压钠灯等带有电子触发器的气体放电设备。在一些用电设备的选型上，要选择无功损耗低、自然功率因素高的设备，如同步电动机等。此外，工作人员还要做好煤矿井下供电设备的“三大保护”工作，即漏电保护、过流保护、接地保护，避免出现设备故障而影响供电系统的正常运行，以提高井下电力传输和使用的安全可靠性能，有效减少电流消耗。

4 总结

在现代化进程发展中，我国大力倡导朝着节能友好型社会发展。因此，为顺应社会发展潮流，煤矿行业还应不断完善井下供电系统，优化井下供电节能线路的设计，根据当地井下作业环境以及作业要求选择适合的供电节能设备，从而有效降低线路和设备损耗，提高供电系统运行的安全稳定性。