综采工作面3 300 V长距离高电压等级供电设计与应用研究

谢东辰

(河南能源化工集团 永煤公司城郊煤矿，河南 永城 476600)

近几年，随着煤矿采掘设备重型化的发展，采掘设备装机功率及供电距离均不断增加，大型煤矿部分巷道达到2 000 m以上，采面将达到300 m左右，采掘设备电压压降增大，设备启动困难，传统矿井660、380 V工作面低压供电系统已不能满足现代化矿井安全生产的需求，将是制约煤矿安全高效生产的重要因素。

城郊煤矿21106工作面位于十一采区属二2煤层，切眼长度352 m，是城郊煤矿首个大采长、重型化综采工作面，工作面配套设备功率达到4 800 kW，装机功率相当于普通综采工作面的2倍。采用传统矿井1 140、660 V工作面低压供电系统已不能满足长距离、重型化综采工作面安全生产的需求，是制约城郊煤矿安全高效生产的重要因素。实现长距离安全供电的方法主要有增加电缆截面(主要是并联电缆，电缆投入多)、提高功率因数(工作面需增加多台无功补偿装置，设备列车更长)、提高电压等级等，其中提高电压等级能够比较合理[1-6]。

1 方案设计

1.1 3 300 V电压等级供电设备

21106综采工作面采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等设备使用3 300 V电压等级进行供电。工作面采用3 300 V电压等级供电有5条线路，即由动力中心降压后供工作面采煤机、转载机和破碎机的3条线路；由移变降压后经变频器供刮板输送机机头、机尾的2条线路，3 300 V电压等级供电设备见表1。

表1 3 300 V电压等级供电设备Tab.1 3 300 V voltage level power supply equipment

1.2 电压等级及供电系统设置

(1)21106工作面电源来自二水平南翼2号变电所。根据工作面主要设备的容量与布置情况，采用660、1 140、3 300 V三种工作电压，刮板输送机设备的电压为3 300 V(分别由1号移动变电站供电)。上巷胶带机设备的电压等级为1 140 V(由5号移动变电站供电)；巷道排水及绞车设备电压等级为660 V(分别由3号和4号移动变电站供电)。

(2)21106工作面设计2趟高压回路供电。由二水平南翼2号变电所B6105号、D6205号高压开关各引出1趟6 kV高压，其中B6105号负担1号移动变电站(切眼刮板输送机设备)和3号移动变电站(工作面1回路排水)及5号移动变电站(上巷胶带机)供电。D6205号负担2号移动变电站(切眼采煤机、转载、破碎、喷雾泵、乳化泵等设备)和4号移动变电站(工作面二回路排水)供电。

(3)正常的甲烷断电范围是21106工作面所有非本质安全型电气设备，通过二水平南翼2号变电所B6105号和D6205号执行断电，实现甲烷电闭锁。

1.3 移动变电站与配电点位置的确定

(1)担负21106工作面切眼设备供电的1号、2号移动变电站及其开关安装在中间巷内移动设备列车上，可随工作面的推进，每隔500～600 m移动1次。

(2)担负21106工作面两回路排水电源的3号、4号移动变电站及低压总馈电开关安装在中间巷车场移变硐室和低压配电硐室内。担负21106工作面上巷胶带机电源的5号移动变电站开关安装在上巷车场移变硐室内。在下巷车场移变硐室内安装2台高爆开关，分别控制下巷工作面设备列车两回路高压供电。21106工作面供电系统如图1所示。

图1 21106工作面供电系统Fig.1 21106 working face power supply system

1.4 负荷统计及移动变电站选择

21106工作面供电总负荷4 649.58 kW。据《综采设备手册》中对工作面供电系统拟定的原则，选择4台移动变电站：①1号移动变电站向切眼刮板机供电，输出电压等级3 300 V，选择1台KBSGZY-2000/6/2×1.905型移动变电站，其额定容量为2 000 kVA>1 088 kVA能够满足要求。②2号动力中心向切眼采煤机、转载机、破碎机供电，输出电压等级为3 300 V；选择1台KJZ-3200/6/3.3/1.2-6/8D型动力中心，其3 300 V额定容量为2 500 kVA，其1 140 V额定容量为650 kVA。③3号移动变电站向工作面一回路排水供电，选择1台KBSGZY-500/6/0.69型移动变电站。④4号移动变电站向工作面二回路排水供电，选择1台KBSGZY-500/6/0.69型移动变电站。⑤5号移动变电站向上巷胶带机供电，选择1台KBSGZY-800/6/1.2型移动变电站。

1.5 供电电缆的选择

按设计选MYPTJ-3.6/6-3×70+3×25/3+3×2.5型的高压电缆，其主芯线截面为70 mm2。其中一根电缆负担1号、3号及5号移动变电站，一根电缆负担2号和4号移动变电站，每根电缆长度为实际敷设距离的1.1倍，选择电缆长度2 100 m。

2 关键技术

(1)采用移动变电站深入综采工作面的供电方式虽然能够保证供电电源稳定性，确保了采煤机、刮板机等大负荷功率设备的正常运行，但每隔50～100 m移动1次不方便，且随着工作面采长加大后，采煤机、刮板机功率功率增大，需要增加采煤机、刮板机电缆的长度，采用1 140 V供电时允许的电缆长度为400 m，电缆长度增加后，会使供电线路的压降超过规定，启动电流增大，刮板机在启动过程中接触器由于欠压维持不住造成跳电。

(2)实现长距离安全供电的方法主要有增加电缆截面(主要是并联电缆，电缆投入多)、提高功率因数(工作面需增加多台无功补偿装置，设备列车更长)、提高电压等级等，其中提高电压等级能够比较合理。

(3)考虑到末端电压压降和启动大功率电机时，会冲击到电网，采用变频调速和将供电电压等级提高的方法进行处理，对于3 300 V的供电系统中，线路需要最长而且花费的功率需要最大的为采煤机，如果采煤机的电压损失可以满足要求，其余设备的电压损失也就可以满足要求。所以，只需效验采煤机电缆即可。

(4)选择MG500/1130-WD采煤机、SZZ800/250转载机和PLM2000破碎机进行验算。采煤机、转载机、破碎机共用1台移动变电站供电，现场3 300 V移动变电站为2 500 kVA，1 140 V移动变电站为650 kVA。因此，选用KBSGZY-3150/6/3.3(1.14)型移动变电站。根据正常运行和启动运行压降进行计算，采用3 300 V采煤机常用95 mm2电缆安全供电距离2 077 m。综采工作面选用1 140 V和3 300 V电压等级供电，可有效解决因采掘设备装机功率及供电距离均不断增加而对煤矿安全生产供电造成的不利影响，延长供电半径，实现工作面设备列只固定存放在轨道集中大巷，而减少周期性挪移设备列车的麻烦，有效提高了煤矿生产效率。

3 3 300 V电压等级供电安全措施

随着综采工作面电压等级的提升，会给机电设备管理带来了一系列的问题，应从以下几个方面做好机电设备管理[7-10]。

(1)根据《煤矿安全规程》，采区电气设备使用3 300 V供电时，必须制定专门的安全技术措施。

(2)随着电压升级，对设备的各种保护、灵敏程度提出更高的要求，所以加大检修力度，尤其是各种保护的灵敏程度，定期要对所有电气开关进行漏电、短路、断相、过载等各种保护进行试验，发现有保护不灵敏可靠的及时处理。

(3)电缆线径变细，需减少电缆外皮的磨损，避免生产过程中拉移电缆时不小心拉伤，对采面拉架时顶板掉渣容易砸伤及划伤拖移电缆，每天对采面所有电缆进行绝缘监测。

(4)必须配齐各种防护用品及3 300 V专用仪器及工具。

(5)定期检查电缆连接器的完好状况，测量电缆头的温度并做好记录。

(6)巷道内的高压电缆应用电缆钩吊挂整齐，严禁用铁丝捆扎吊挂。

(7)随电站前移而多余的电缆，以“8”字形整齐的盘放在专用电缆的平板车上。

(8)所有3 300 V的电缆外观必须每天检查一次，并建立记录台账。

(9)电缆的折弯处、移动处，必须用绝缘皮子或电缆卡保护。

(10)3 300 V电缆在移动电站到工作面之间的拖移段必须用绝缘皮子包好，巷道内要用电缆钩吊挂整齐，严禁用铁丝吊挂，并保证其有足够的垂度。

4 社会、经济效益

(1)社会效益。①综采工作面选用3 300 V电压等级供电，可有效解决因采掘设备装机功率及供电距离不断增加而对煤矿安全生产供电造成的不利影响，延长供电半径，实现工作面设备列车固定存放在轨道集中大巷，而减少周期性挪移设备列车的麻烦，有效提高了煤矿生产效率。②减少了重型化设备启动困难、供电电压压降较大的问题，同时减少了供电线路和设备因装机功率较大、电缆起热引起的电气故障，提高了生产效率，进一步解放了生产力。

(2)经济效益。综采工作面3 300 V长距离高电压等级供电设计，可提高综采工作面安全生产可靠性，有效缓解矿井接替紧张造成的产能压力。若每年减少生产影响时间约5 d，工作面每日生产原煤0.8万t，按市价800元/t计算，每年可减少经济损失3 200万元。

5 结语

城郊煤矿21106重型综采工作面供电电压初次采用3 300 V高压供电，工作面电压等级升高，采区供电网络对地电容增大，造成系统单相接地电流升高、接触电压增大，加大了人身触电、短路故障、产生火花造成瓦斯爆炸的安全风险。 通过对3 300 V供电系统设备的日常巡检、操作、检修、停送电等全方位，研究和制定专项安全管控措施，有效预防了采掘工作面高压供电带来的安全风险，保障了安全生产。