高压变频远控技术在井下设备地面化中的设计应用

王庆洲，许 涛

（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）

0 引 言

石拉乌素煤矿东翼2-2 中胶带大巷带式输送机采用4 台10 kV 800 kW 矿用隔爆型三相异步电机作为驱动电机，采用减速器+液体粘性软启动方式。

在实际生产中，时常会因为频繁启动、过载启动导致液粘系统油温过高，因为采用风冷，当温度过高时启动性能变差。另外由于采用电液控系统，液压系统及软启动装置时常发生漏油故障，维护量大。这些问题都会导致液体粘性软启动装置启动效果变差，甚至造成电机烧毁从而影响生产。

同时因液粘软启动电气故障点较多，每月因各种电气及传感器故障影响主运皮带运行约2 h 以上，且故障多发于正常生产的中班及夜班，检修人员到现场处理故障时间较长，严重影响矿井正常生产。目前主运输送机驱动处空间狭小，设备空间占比较大，设备出现故障时，没有合适的空间进行运输。液粘软启动及减速器维护量较大，每天检修时间必须安排专人进行维护保养，定期进行补油换油，材料消耗较大。另外驻外单位人员配备较少，严重制约主运皮带其他检修工作。

据市场调研，原厂家已不再生产液粘有关配件，其服务保障能力降低。

综合以上分析可以看出，现在的驱动形式是影响输送机整机可靠性的薄弱环节，已不能满足矿井主运输安全生产的要求。设计将石拉乌素煤矿东翼2-2 中胶带大巷带式输送机配电及主控系统移至地面，建设一座智能型10 kV 开关站，采用普通型高压变频器，实现对井下带式输送机在地面直接驱动供电、远程集中控制。

1 改造方案

结合石拉乌素煤矿现场情况，分别从驱动改造方案、配电室布置方案、投资费用、施工难度、对矿井安全生产的影响等方面进行了综合比较。提出4 种改造方案。

方案一：将驱动电机更换为高压防爆变频电机，并安装其配套的附属设备。新建10 kV 地面开关站一座，作为主运皮带机配电室，设置在主井塔5 层（21.3 m）。驱动电机启动方式为变频启动。自新建10 kV 地面开关站新敷设4 回MYJV42-8.7/10 kV-3×70 型电力电缆（每回850 m），经主井井筒至主运皮带通风孔，敷设至皮带机头。

方案二：将驱动电机更换为高压防爆变频电机。对皮带机头变电所进行扩容改造，安装4 台隔爆型10 kV 变频器，将现有4 台QJGZ-100/10 磁力启动器更换为4 台PJG-10 高压防爆开关,电力电缆可利用现有的。

方案三：将驱动电机更换为4 台3 300 V 防爆变频电动机。对皮带机头变电所进行扩容改造，安装4 台KBSG-1600/10/3.45kV 型矿用隔爆干式变压器，4 台1 000 kW/3 300 V 隔爆变频器，将现有磁力启动器更换为PJG-10 高压防爆开关。

方案四：将驱动电机更换为高压防爆变频电机。利用井底车场胶轮车存放硐室作为配电室，选用矿用一般型10 kV 高压开关柜及变频器柜，总电源电缆利用现有的，负荷电缆采用钻孔方式敷设至驱动电机附近。

方案比选详见表1。

表1 方案比选表

通过以上对比，方案一具备安全性高、日常维护简单、开关站智能化程度高、投资低等优点，并且可以优化矿井供电系统，实现主运皮带地面直接驱动供电、远程集中控制，提高矿井主运皮带的供电可靠性。

2 变频器的选择及控制方案

2.1 变频器的选择及一次接线

变频器是产生谐波的根源，变频器的结构、控制方式和质量直接影响输出波质量。 选择新风光电子JD-BP37/38-F 系列高压变频器，电压等级为10 kV。变频器设置在地面，故选用非防爆的变频器。由于变频器输出中包含谐波成分，其电流有所增加，带式输送机可能处于重载启动的状态，设计选取大一挡变频器，即JD-BP37/38-F，1 000 kW 型。

2.2 变频器控制方案

主回路采取一拖一自动控制方案，对于四机驱动的皮带机变频控制，为有效实现电机的负载平衡控制，高压变频调速系统采用主-从方式进行控制。采用4 台1 000 kW 变频器分别控制4 台800 kW 高压电机，如图1 所示，选用1 号变频器为主变频器，2、3、4 号变频器为从变频器，由操作台发给主变频器给定频率值，主从变频器之间采用ModBus 总线通信，1 号变频器作为主控，检测1～4 号电机的运行电流，发出输出转矩给定值，控制2～4 号从变频调速系统同步运行。

图1 皮带机变频器主从控制简图

主控高压变频调速系统和从控高压变频调速系统均有外部信号连锁控制和状态、报警逻辑信号输出，主控高压变频调速系统接收本地或者远程的“启动”、“停机”和“紧急停机”指令，以及来自从控高压变频调速系统的“紧急停机”指令，从控高压变频调速系统接收来自主控高压变频调速系统的“启动”和“紧急停机”指令，同时接收从控高压变频调速系统本地或者远程联动的“紧急停机”指令。在4 台高压变频调速系统的PLC 逻辑程序中进行逻辑互锁，使得4 台高压变频调速系统同时启动，同时停机。

3 电力电缆的选择及敷设

3.1 地面开关站进线电源电缆的选择

考虑为了满足4 台800 kW 驱动电机及1 台200 kVA 所用变压器运行的供电能力：

1）按允许载流量选择电缆截面。

试选用MYJV22-8.7/15kV-3×120 电力电缆。

2）按经济电流密度校验。

3）按电压损失校验。

ΔU% =KPL= 0.192 %×3.4×0.3 =0.2 %，满足要求。

地面开关站进线电源电缆选用MYJV22-8.7/15kV-3×120 电力电缆，一用一备。

3.2 带式输送机驱动电源电缆的选择

1）按允许载流量选择电缆截面。

试选用MYJV42-8.7/15kV-3×50 电力电缆。

2）按经济电流密度校验：

3）按电压损失校验。

ΔU% =KPL= 0.325 %×0.8×0.85 + 0.2 % =0.42%，满足要求。

根据以上选型计算， 可选用MYJV42-8.7/15kV-3×50 电力电缆作为带式输送机驱动电机电源电缆，考虑后期带式输送机驱动电机升级及主井筒运行环境较差，设计将下井电缆截面升级一规格，即选用MYJV42-8.7/15kV-3×70 电力电缆作为带式输送机驱动电机电源电缆，沿主井井筒敷设。

石拉乌素煤矿主井井筒尚有空间敷设下井电缆。设计在井筒北侧罐道支撑梁上新增电缆托架，电缆托架间距5 m，采用抱箍固定在罐道支撑梁上。井筒内敷设电缆至主运皮带通风孔，穿过通风孔吊挂敷设至皮带机头。

4 带式输送机自动化控制

东翼2-2 中胶带大巷输送机采用1 套胶带机综合保护控制装置，实现对带式输送机及相关设备的集中控制。电控系统主要由矿用隔爆兼本质安全型控制箱、操作台和保护系统等组成,能够可靠的实现胶带输送机的起动预警、停车、紧急停车、故障保护等功能，另外还可控制给煤机与本机之间、本机与前后级设备之间相互联锁。

输送机保护系统可实现胶带输送机的急停、跑偏、烟雾、堆煤、纵撕、超温洒水（超温洒水应包含洒水管路及喷头等）和胶带机沿线语音通信等功能。系统具有保护屏蔽功能。用户可以根据实际需要配备不同的保护传感器。当配备的某台传感器本身出现损坏或是其他故障时，而由于生产需要必须开车，此时，被授权者在输入密码后可以选择暂时屏蔽掉出现问题的那台保护传感器，待修复之后再重新加入进去。本工程保护传感器为现有设备。

电控系统通过与变频器启动装置相配合，可实现带式输送机软起动，主机空载起动，从而减少负载冲击，提高胶带寿命。

改造后，井下现场保留操作台，主井集控室设置上位机，预留通讯接口，接入矿井现有机电集控系统。

将皮带机头变电所低压配电开关更换为带通讯功能防爆6 组合开关，可以实现地面远程控制。

为保障地面和井下通讯的稳定性，设计在主井和副井分别敷设1 根24 芯GYXTW 铠装光缆，主副井之间形成环网。

5 效益分析

5.1 经济效益

对石拉乌素煤矿东翼2-2 中胶带大巷带式输送机技术改造是可以加快安全、高速矿井的建设速度，该项目实施后可以有效的减少日常作业流程，降低职工的劳动强度、提高职工的工作效率。

将配电控制系统放置在地面，实现地面直接驱动供电、远程集中控制，可以减少现场操作和巡检人员4 人。按照井下职工每人每年15 万元收入计算，一年可为矿井节约人工成本60 万元。

项目采用了变频和自动控制技术，实现了变频控制，带式输送机以极低转速运行就能满足运输要求，其机械、电气冲击和机械磨损大大减少，故障率降低，其使用寿命大大提高，系统的综合节电率达到40%以上，产生的经济效益显著。

5.2 社会效益

对石拉乌素煤矿东翼2-2 中胶带大巷带式输送机技术改造，优化矿井供电系统，实现胶带大巷带式输送机地面直接驱动供电、远程集中控制，进一步增强矿井智能化程度，是今后建设“安全、绿色、智能、高效”四型矿井的必然选择。

高压配电设备安装在地面，配电室内的环境方便实时监控并根据需要进行调节，可以有效的延长设备寿命，降低日常维护、维修成本。采用变频启动后，电机实现了软启动，可以在零速零电压启动，直到达到工作电流为止。减少电机启动对电网的冲击，提高了矿井供电的可靠性。

5.3 推广应用前景

该方案解决了高压变频远距离控制技术在井下机电设备地面化中的应用问题，实现胶带大巷带式输送机地面直接驱动供电、远程集中控制，进一步增强矿井智能化程度应用前景广泛。

6 结 语

将高压变频远距离控制技术应用在井下机电设备地面化项目中，通过实施井下机电设备地面化改造，可以取消机头配电点高压配电装置，优化矿井供电系统，实现主驱动电机地面直接驱动供电、远程集中控制，提高矿井自动化程度,减少井下现场操作和巡检人员。