综采工作面供电系统优化设计要点

＊郭慧鹏

（汾西矿业集团水峪煤业 山西 032300）

近年来，随着开采矿井的不断延伸，煤矿供电距离一直在不断扩大，供电系统在构建以及具体应用中，其自身的电压损失也会不断增加。尤其是在目前，供电距离以及现有设备功率一直在不断增加，电动机端的电压相对比较低，对于目前现有机电设备的正常运转，将会造成非常严重的阻碍影响。结合目前综采工作面，在实践中，综采工作面的长度已经逐渐超过300m，工作面的最大推进度可以达到6000m。这种形势下，与其相对应的工作面最大采高可以达到7m，此时供电设备在运行时的负荷一直在不断增加。供电线路自身的压降大，机械设备数量明显增加，供电系统越来越复杂，进而引起各种问题。基于此，在对供电系统进行优化设计时，要结合实际情况，对符合现实要求的设备进行选择和利用，结合先进技术手段，保证工作面可以实现高度机械化操作。以此为基础，有利于将技术人员的劳动强度进行有效控制，促使日常生产效率、质量得到有效提升。在保证现代化矿井高产目标能够得到有效推进的基础上，有利于为综采工作面的供电设计效果提供保证，为各方面工作的全面有序开展打下良好基础。

1.综采工作面供电系统优化设计的方向

（1）系统智能化。综采工作面供电系统需做到集中控制，将供电以及其他系统进行集成、统筹联络、保护、操控等操作。而且，系统设备在运作状态下，还要发挥检测功能，以有效发现和定位问题，并制定可行的解决方案。这使系统整体的运作协调性、稳定性得以保证。为此，系统智能化的集成控制，将是综采工作面供电系统优化设计的方向之一。

（2）设备集成化。受煤矿井自身特殊工作环境的约束，综采工作面供电系统设计必须与井内巷道、地形相契合，争取做到占地小、易推移。鉴于开采工作的任务重、技术复杂，其在不同的开采进程中对供电设备的需求有所不同，但整体设备数量在增多，所以，综采工作面供电系统应该应用集成化设备，例如，集约型的组合式开关、组合式电机等，这将推动开采作业自动化程度的提高。

（3）系统驱动简洁化。当前，我国很多综采工作面供电系统所使用的驱动模式不够简洁化，是以“开关+电机+减速器+黏液离合器”为基础进行系统驱动，整体上较为繁琐。而已有最新实践显示，以“开关+变频一体化电机+减速器”为系统运作新模式，将大大提高系统简洁性，使相应的工作效率得以提高。该模式的核心部分就是变频一体化电机。它是使电机与变频驱动相结合，在协调的工作机理支持下来提高综采工作面供电系统工作效率，不仅体积小，适应井下环境，而且调速性能佳（可在系统多电机运转时发挥其平衡性能）。为此，诸如应用变频一体化电机驱动系统的简洁化工作模式，也是综采工作面供电系统设计的方向之一。

（4）供电模式多样化。单一的供电模式有局限性，会使供电距离成为影响综采工作面供电系统运作效率的重要因素。因此，综采工作面供电系统设计，应当大胆突破传统供电模式的约束，采取“近距离供电+远距离供电”的混合供电模式，能够灵活结合系统运作状态以及采矿作业需求来选择供电模式，从而切实维护供电系统的稳定性、高效性。

（5）设备保护配置升级。以往的供电设备保护，多采用电子配置，但其在电路、配置等方面容易出现问题或故障，起到的作用不明显。而电子技术的升级式发展使得设备保护配置的功能升级有了依托，可以更好地实现设备保护。例如，PIR系列的自动化配置，就能够起到对供电系统设备强有力的保护作用。其配置依靠故障诊断操作，自动生成诊断报告，继而进行系统联络，将监控、诊断所获取的数据传递给调度工作人员。可见，设备保护配置升级有其必要性。

2.工作面概况

S3-13工作面是在110kV变电站南部位置，经过实地考察以及相关数据统计结果，其地面标高为+936.6-+939.5m。S3-13工作面位于S3采区西部位置，在东部位置处，相邻S3-11回采工作面。而在南邻S3采区下山位置处，其可以直接延伸到对应的巷道中，对该工作面进行实地勘测，该工作面对应的煤层地板标高是+435-+482m。对于S3-13工作面而言，在具体操作中，一般是以“一进两回”的方式进行有效推进，这样不仅有利于实现对整个巷道科学合理的布置，而且可以对轨顺进行有效控制将轨顺的长度控制在1429m。在皮顺走向长度方面，则可以将匠气控制在1463m，而在工作面以及可采长度方面，分别将其控制在227m、973m即可。基于此，可以从中实现采储量为185万吨，在顺槽皮带的布置中，要将其设置在符合现实要求的外帮位置。

3.综采工作面供电系统的优化设计

(1)供电系统的拟定

由于S3-13工作面本身是以高压电源为主来进行一系列的操作，所以通常都是以S3采区3号变电所进行主导操作。对于工作面的总装机容量而言，其自身的容量在经过计算后，可以达到5041kW。变电所2号、13号以及变电所14号，可以利用MYPTJ3×500mm2-1500mm的高压电缆，以此来达到稳定输出的根本目的。在经过移动处理之后，对应的变电站是指1140V，可以满足目前在机组乳化液泵等各方面的需求。除此之外，在皮带机位置处，对配电点进行科学合理的安装和利用。结合供电系统运行现状，将6号作为出发点，以MYPTJ3×500mm2-1500mm的高压电缆为主进行有效输出。经过配电点两台的移变处理之后，可以直接将其转变成为140V的电压，这样做的根本目的是为了尽可能满足目前在顺槽皮带方面提出的动力电源要求。除此之外，由皮带机为基础，实现移变高压侧，通过并联方式的合理利用，能够将移变为660V的电压进行引入，为系统自身的动力电源需求提供保证。与其相关的工作面设备配备负荷统计情况，如表1所示。

表1 用电设备负荷统计

(2)供电方案

为了从根本上保证移动变电站以及对应的设备列车能够呈现出分离状态，以此为基础，实现远距离的供电，同时还要最大限度保证供电的安全性、可靠性。在经过一系列的仔细分析和研究后，对采煤机等各种不同类型采煤设备进行引进和利用时，由于这些设备自身的功率比较大，所以可以以3300V电压等级为主，展开有针对性的利用。在采煤机方面，要以变频启动方式为主，以此来保证大型设备在启动以及电流运转时，能够得到有效控制，为供电的稳定性、可靠性提供保证。对于其他功率比较小的设备而言，通常是将1140V电压电源作为其中的主体组成部分，而在移动变电站方面，要对其进行合理的设置，这样做的根本目的是为了保证能够在工作面轨道1300m左右位置处，实现有针对性的控制。

(3)设备选型

MG300/730-WD型采煤机在应用时，其整个采高控制在1.8m至3.6m左右即可。截深控制在800mm，在装机功率方面，则是以730kW为主，其中包括2台300kW的截割电动机、2台55kW的牵引电动机等。在供电电压方面，将其控制在3300V左右即可。

(4)工作面移动变电站配电点位置以及供电负荷

结合实际情况展开深入分析时，通常在目前工作面电源电压方面，一般都会控制在10kV，来自200m以外的采区变电所[3]。结合目前实际情况，根据用电设备的整个额定电压，可以将其划分为两种不同类型，其中包括1140V、3300V两种。结合实际情况，严格按照目前符合现实要求移动变电站二次侧两种电压等级进行选择和利用。在轨道顺槽的入口位置处，要对符合现实要求的移动变电站以及配电点进行科学合理的设置和利用，这样才能够为工作面提供电能。在轨道顺槽与工作面之间的距离在200m至300m位置处，可以对移动列车进行科学合理的设置和利用。以此为基础，有利于直接将采煤机、刮板输送机等进行有效安装和利用，随着工作面的不断推进，可以定期在轨道中进行有效移动。

(5)工作面供电设计

①供电开关保护类型

对工作面供电系统进行设计和具体应用时，要结合实际情况，对供电开关的具体保护类型给予足够的关注和重视。一般要结合实际情况，直接从采区变电所内部现有高压开关角度出发，对2台高压开关进行合理利用，直接将其控制在工作面4台移动变电站对应位置，以此来满足高压电的个性化供应需求。在移动变电站设置以及应用时，通常是将真空断路器作为高压侧开关的主要应用组成部分，其中包括短路、超负荷以及无压释放保护功能等，要保证现有诸多功能在实践中的合理利用[4]。对于低压馈电开关或者是磁力启动器而言，要结合实际情况，严格按照目前现有的断路器要求，对额定电流进行控制，额定电流大于等于目前现有控制设备的额定电流时，要进行有效的选取和利用。基于此，要严格按照目前现有的断路器的分断能力要求，促使其等于或者是大于所通过的最大三相短路电流，以此为基础，有利于实现有针对性的校验和分析。在馈电方面，应当保证其具有短路、过负荷等基础功能。

②正常工作电压检验

用电设备在3300V电动机处于正常运行状态时，与其相对应的电压损失，通常并不会对超过额定电压的10%进行综合分析。也就是在实践中，允许的电压损失控制在330V左右。在经过一系列的统计和计算后，发现采煤机自身的总电压损失控制在106V，可以满足目前提出的一系列使用需求。

③启动时校验

为了从根本上保证电动机能够实现顺利有效的启动和操作，对已经启动的电动机可以起到良好的保护效果，对距离最远最大的电动机进行启动操作时，其自身对应的电压通常要控制在75%以上的额定电压。在经过一系列的仔细计算和分析之后，采煤机启动过程中，与其相对应的实际核定电压是2515V。此时，要结合实际情况，采取有针对性的对策，对采煤机进行合理利用，以变频启动方式为主，实现对启动电流的有效控制。在启动电流方面，要将其控制在额定电流2-3倍左右，通过一系列详细计算分析之后，可以得出目前采煤机的实际启动电压是2801V。由此可以看出，目前3300V电压等级无论是在远距离供电或者设备频繁启动中，都可以满足使用时的个性化需求。

(6)综采工作面电气设备保护

①零序过流保护

综采工作面关联的电气设备，其处于井下的外壳应当采取接地措施，以确保不带电。但是，井下环境复杂，例如，空气及接触面潮湿、尘埃多，所以，当设备在绝缘受损、电机绕组刮壳情况下，将可能出现相应的接地安全故障，且概率很高。这些接地故障一般归类为单相接地短路和两相接地短路故障，并且在故障发生时会出现零序电流分量。因此，零序过流保护的实施，即将零序电流分量的产生作为故障判断依据。

②序分量电流保护

综采工作面电气设备的电流可细分为零序、正序、负序分量。电动机运行要求三相对称，其零序电流、负序电流均为0时，就会出现序分量电流不对称问题。因此，相应的电气设备过流情况检测，可将序分量作为测量依据，对应查看负序、零序电流数值，继而分析判断电气设备运行质量。而且，检测到的过流信息可以帮助检测人员查找堵转故障、短路故障，例如，结合负序、零序电流对各类接地短路故障、不对称短路故障的反映，工作人员可有针对性地施以电流保护措施。

③电压保护

由于综采工作面相应系统的电源电压并不是一个稳定值或恒定值，所以电流情况的变化会对设备带来不同影响。例如，由于电磁转矩和电压平方是正相关的关系，所以，当电动机端电压明显小于额定值时，其转矩会相应幅度地下降，于是会导致电流超载，而电动机迅速发热。这会令电机设备绝缘受损以及更快地老化，从而明显降低设备性能，使其寿命减少。因而，电气设备需得到低电压保护。当电动机运行已处于负载状态，机温上升，其承受的电源电压使其电流下降，而相应的铜、铁受损率显著提升，就需要根据电源电压的数据变化规律来动态设置过电压保护或低电压保护。

④负序电流保护

如果电动机运行中，三项电流处于不对称的状态，就会引发不对称相间短路、断相、逆相等故障问题，而其中的负序电流相当明显。负序电流会导致出现负序旋转的电流磁场，从而在转子回路形成双倍工频的交流电。这直接带动了转子的震动、发热，妨碍电气设备运行。为此，要科学进行负序电流保护，例如，采用两段式定时限负序电流保护法来适当减轻电气设备所受的负序电流磁场影响。

4.结语

综采工作面供电系统在经过优化和完善后，需要注意的是在目前现有的综采工作面当中，即使目前现有的诸多不同类型设备在操作时，频繁启动，但是对供电系统自身会产生的影响并不是很大，有利于为供电质量提供保证。基于此，保证目前生产系统在运行时的状态可以得到有效维持，对整个过程进行不断完善和优化，这样不仅有利于实现现代化矿井的高质量建设，还可以为产量提供保证。要结合实际情况，对符合现实要求的现代化矿井综采设备供电系统进行构建和利用，这也是保证可以实现高产高效的基础。供电系统优化中，要对先进技术、设备等进行引进和利用，这样才能够推动其逐渐朝着机械化、智能化操作转变和发展，保证生产效率、质量的有效提升，以此来推动我国综采工作面供电系统的智能化发展。