煤层开采交流供电系统重要设备的选型研究

梁 晋

（同煤集团煤峪口矿， 山西 大同 037000）

1 煤矿供电系统概述

煤矿供电系统主要由四部分构成：矿井地面变电所、井下中央变电所、采区变电所和工作面配电点。外部电网将110 kV的高压电输送到矿井地面变电所，在变电所内完成降压，将高压电降至10 kV，并通过高压电缆输送到井下中央变电所。井下中央变电所是煤层开采供电的总电源和中间枢纽，将10kV高压电进行降压至1 140 V，一部分为其附近的用电负载供电，另一部分输送至采区变电所。采区变电所位于工作面旁，能够将1 140 V电压降至380 V，为工作面配电点供电，也可以直接将1 140 V高压输送至工作面的移动变电站，由移动变电站进行降压，为综采工作面用电负载供电，这样可以减小输电时的电能损失。工作面配电点是电力系统的末端，位于工作面50～70 m处，是用电负载的聚集处。

由于井下条件复杂，并且含有可燃爆炸气体，因此供电系统的保护是必不可少的[1]。井下的保护主要有以下三类：

1）过流保护。用电设备的电流过大会导致绝缘材料的老化，降低设备使用寿命，严重时可能造成短路，短路电流瞬时值会达到上千安培，产生的热效应会对用电设备造成巨大破坏，因此需要设置过流保护装置。

2）漏电保护。由于井下空间狭小，电缆容易受到碰撞，外皮可能会发生破损，产生漏电，会危及作业人员，甚至会引起瓦斯爆炸。为了防止此类现象的产生，必须安装漏电保护装置，并且要定期对电缆进行检查，及时排除安全隐患。

3）接地保护。机电设备的外壳若没有接地，与内部电缆接触后可能会使外壳带电，可能会造成触电事故，因此井下所有电力设备都要进行接地保护，且接地电阻值不能超过规范要求。

2 煤层开采用电负荷的统计

本文以同煤某矿大采高综采工作面为例研究煤层开采交流供电系统。用电负荷统计是设计煤层开采供电系统的前期重要工作，是变压器等设备的选型依据，是后续系统设计工作的基础[2]。目前用电负荷主要的统计方法有二项式法和需用系数法两种，前者模型复杂，计算量大，使用较少，而后者得到了广泛的应用。需用系数是指用电设备组长时间工作时的平均功率与负荷组总容量的比值，需用系数法的关键是使用数理统计确定各用电设备组的需用系数，计算公式如式（1）：

式中：KX为设备组需用系数；Kai为不同用电负荷间的同时系数，采用式（2）计算；Kl0为设备组的输出系数，采用式（3）计算；η为设备组中用电负荷同时工作的平均效率，采用式（4）计算；η1为电缆输送效率，一般取 0.95～0.98。

式中:∑Pai为同时工作用电负荷的容量之和；∑PN为设备组总的额定容量之和；∑PaiS为设备组中实际同时输出功率之和；ηai为各设备的用电效率。

采用这种计算方法可以计算出各设备组的需用系数，但计算较为复杂。由于煤层开采时的设备基本相同，在大采高综采工作面采用的设备大同小异，工程上经常使用经验值进行需用系数的确定，如下页表1所示。

确定设备组的需用系数之后，与所有用电设备的额定功率之和相乘，即可得到用电设备组长时间运行的最大有功功率，它是后续进行设备选型的重要参数。

表1 煤层开采用电设备组的经验需用系数

3 重要设备选型的计算

3.1 变压器容量的计算

变压器额定容量的选择非常重要，选择过大会增加设备投资，浪费成本，其空载损耗也会随着变压器容量的增大而增大，造成能源浪费；选择过小也不利于工作面扩大生产，还可能由于容量不够发生过负荷破坏。因此考虑到未来生产规模的扩大和自身的功率损耗，变压器容量选择时负荷率在70%～85%较为理想。

3.2 电缆选型的计算

在煤层开采的工作面电缆以低压电缆为主，因此主要讨论低压电缆的选型要求。

3.2.1 满足长时载流量要求

电缆的载流量主要与电缆的截面积有关，电缆的截面积越大，允许长时间通过的电流越大，但两者并不成线性关系，还要考虑电缆散热问题等其他因素。如果电缆的长时载流量超过其允许载流量，会加快电缆绝缘层的老化，引起相间短路。电缆长时工作载流量的计算公式为：

式中：KX为由电缆供电的设备负荷需用系数；∑PN为用电设备的额定容量之和；UN为用电设备的额定电压；cosΦpj为所有用电设备的加权平均功率因数；ηpj为所有用电设备的加权平均效率。

从电缆标准规范中可以查到不同截面积，不同材质的电缆在25℃时的最大允许长时载流量IP。由于井下环境温度与标准温度不符，因此在计算电缆长时载流量时还要考虑温度的影响，引入温度修正系数Kt来修正电缆允许长时载流量I'P：

温度修正系数Kt的数值见表2。

电缆允许长时载流量I'P应大于等于计算得出的电缆长时工作电流Ica。

表2 温度修正系数Kt的取值

3.2.2 满足机械强度要求

在工作面敷设的电缆需要随着工作面的推进进行拖拽，有时还会受到片帮的压砸或是其他的外力作用，电缆的机械强度不够，容易使电缆被拉断，造成供电故障，因此在选型时需要对电缆的机械强度进行校核，不同井下机电设备所需满足的电缆最小截面积如表3所示。

表3 不同设备允许使用电缆的最小截面积

在必要时还可以选择铠装电缆以保证电缆的机械强度。

以某矿为例，综采工作面的需用系数取0.65，负荷经统计后，总的负荷为255.9 kVA。首先确定变压器容量，查询变压器型号对照表，选择315 kVA容量的变压器较为合适，此时负荷率为81.24%，有一定富裕度又不会造成经济浪费。然后进行低压电缆的选择，代入式（5）进行计算，长时载流量为198 A，查询电缆最大允许长时载流量并进行温度系数修正，70 mm2电缆在30℃下的最大允许载流量为202 A，大于正常工作时的长时载流量，且超过采煤机电缆最小截面积，可以满足使用要求。至此，变压器和低压电缆两种重要的设备选型完成。

4 结论

井下供电系统必须满足生产需要，其运行状态的稳定与否直接关系到煤炭生产企业的生产效率。供电系统的平稳高效运行是煤矿生产的基础条件，是煤层开采机械化、智能化的重要保障，其前提条件是设计合理的煤矿供电系统。