淺析6kV 中壓配電在露天采煤機(jī)上的應(yīng)用設(shè)計(jì)

劉文新

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410199）

隨著采煤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，雖然露天采煤機(jī)的發(fā)展趨于大型、可靠、單體設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化，但露天采煤機(jī)目前仍采用傳統(tǒng)柴油機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，消耗燃油，排放尾氣，噪音大，影響大氣環(huán)境治理，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主機(jī)的核心部件，主要依賴于進(jìn)口，尤其是大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)濟(jì)成本高。隨著我國(guó)電力技術(shù)與電控技術(shù)不斷發(fā)展，采煤機(jī)開(kāi)始朝著電力電動(dòng)的方向進(jìn)行。在低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排形勢(shì)下，具有零排放、無(wú)污染、噪音極小、能效高等諸多優(yōu)點(diǎn)的電力電動(dòng)系統(tǒng)逐漸應(yīng)用在露天采煤設(shè)備上。

1 露天采煤機(jī)配電供電電壓選擇

露天煤礦采場(chǎng)供電電壓的等級(jí)，應(yīng)根據(jù)露天礦境界范圍、達(dá)產(chǎn)時(shí)的電力負(fù)荷、后期擴(kuò)建后的電力負(fù)荷、供電距離對(duì)電壓水平的影響，大型設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)其他生產(chǎn)設(shè)備的影響、不同電壓等級(jí)線路的損耗等因素來(lái)確定，大中型露天礦一般設(shè)雙回路電源。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》3.5.11 規(guī)定，煤礦用電各級(jí)配電電壓和各種電氣設(shè)備的額定電壓等級(jí)，應(yīng)符合下列要求：高壓不超過(guò)10000 伏；低壓不超過(guò)1140 伏。根據(jù)GB50070《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》4.0.2 規(guī)定，采礦場(chǎng)和排廢場(chǎng)的高壓電力網(wǎng)配電電壓，應(yīng)采用6kV 或10kV。

對(duì)于用電設(shè)備電力電動(dòng)露天采煤機(jī)來(lái)說(shuō)，供配電方案還要滿足以下兩個(gè)條件：

（1）采煤機(jī)設(shè)備應(yīng)與礦區(qū)其他設(shè)備必須使用同一供電系統(tǒng)。

（2）電壓等級(jí)選擇，在任何時(shí)候必須與落地變電站具有相同電壓，設(shè)備和電網(wǎng)能夠能夠保持相同的輸出參數(shù)。

國(guó)內(nèi)目前煤礦大型設(shè)備的主要用電電壓及下井電壓等級(jí)為6kV，綜合各種因素確定露天采煤機(jī)宜采用6kV 電壓等級(jí)供電。

2 露天采煤機(jī)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

露天采煤機(jī)是一種集采、裝、破一體，完成采掘和裝載，同時(shí)將物料輸送至后部轉(zhuǎn)載設(shè)備上的連續(xù)采煤設(shè)備，主要工作裝置動(dòng)作有截割、裝載、刮板一運(yùn)、皮帶二運(yùn)、履帶行走轉(zhuǎn)向、除塵噴霧等，是一種大功率重型采煤設(shè)備。工作裝置根據(jù)整機(jī)功率設(shè)計(jì)選用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式。一般為液壓馬達(dá)+減速機(jī)或電機(jī)+減速機(jī)兩種方式。但無(wú)論采用哪種方式，都是需要首先將6kV 電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，才能滿足我們需求?，F(xiàn)有大型露天采煤機(jī)整機(jī)功率都較大，運(yùn)行電機(jī)在啟停時(shí)對(duì)供電電網(wǎng)有很大的沖擊影響。

露天采煤機(jī)易受到自然環(huán)境如風(fēng)沙、煤粉、灰塵、雨、雪、雷電、震動(dòng)、腐蝕性、紫外線強(qiáng)及酷熱和嚴(yán)寒的影響，使用環(huán)境和工況比較惡劣。

露天采煤機(jī)需不斷隨工作面的推進(jìn)頻繁移動(dòng)，轉(zhuǎn)運(yùn)要靈活，主機(jī)供電來(lái)源于落地變電站，故采煤機(jī)電纜卷筒收放纜長(zhǎng)度也應(yīng)滿足可移式變電站移動(dòng)范圍。

綜合以上分析，露天采煤機(jī)如采用6kV 中壓配電系統(tǒng)，則要求其車(chē)載高壓配電系統(tǒng)應(yīng)滿足移動(dòng)靈活、外殼堅(jiān)固，防塵、耐高低溫等要求，滿足整機(jī)布置空間及安全防護(hù)要求。其核心部件電纜卷筒、異步電機(jī)及中壓配電柜設(shè)計(jì)尤為重要，具體分析如下：

圖1 露天采煤機(jī)中壓配電示意圖

2.1 露天采煤機(jī)電纜卷筒設(shè)計(jì)思路

作為連接落地變電站與露天采煤機(jī)設(shè)備之間的電力電纜連通部件，電纜卷筒的設(shè)計(jì)尤為重要。電纜卷筒一般放置于車(chē)體后部，皮帶機(jī)下方。采煤機(jī)在前進(jìn)或后退行駛時(shí)，電纜卷筒電纜隨之收放，保持電纜在適度的落地長(zhǎng)度。

采煤機(jī)電纜卷筒及電纜設(shè)計(jì)要滿足以下條件：

2.1.1 使用環(huán)境。電纜卷筒及電纜要滿足煤粉、灰塵、拖拽、扭曲碾壓、腐蝕性、高低溫環(huán)境下能夠正常使用，在強(qiáng)烈日常紫外線下能夠保持電纜抗老化和硬化現(xiàn)象；具有良好的抗拉和耐磨性能；減速機(jī)齒輪或鏈條、導(dǎo)纜架傳動(dòng)裝置、接線盒進(jìn)出線鎖頭處、卷筒高壓進(jìn)出線鎖頭處做好密封防護(hù)，防止煤粉附著堵塞。

2.1.2 電壓等級(jí)及容量要求。電纜卷筒及電纜電壓等級(jí)為6kV，最高電壓可滿足10kV；卷筒電纜規(guī)格容量應(yīng)考慮整機(jī)負(fù)載功率，纏繞層數(shù)、電纜長(zhǎng)度、壓降率等因素。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)方式。一般有兩種方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般選用帶加熱器和制動(dòng)器的三相鼠籠式馬達(dá)，供電電壓為400V/50Hz，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，使用變頻調(diào)速調(diào)整調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，可隨采煤機(jī)行駛速度的變化而變化；液壓驅(qū)動(dòng)一般為液壓馬達(dá)帶減速機(jī)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，使用電比例調(diào)速電磁閥，可隨采煤機(jī)行駛速度的變化而變化。

露天采煤機(jī)要頻繁的左右調(diào)運(yùn)、前后移動(dòng)的工況，這就需要車(chē)體后側(cè)電纜卷筒要在一定的張力下進(jìn)行電纜收放，以避免露天采煤機(jī)在行走時(shí)碾壓或拉斷電纜，電纜卷筒收放裝置能對(duì)整機(jī)的調(diào)運(yùn)孫渡及安全性有重要影響。

露天采煤機(jī)在前進(jìn)時(shí)，電纜卷筒被動(dòng)放纜；后退時(shí)，電纜卷筒主動(dòng)收纜；電纜卷筒收放纜速度與露天采煤機(jī)行走速度匹配；電纜受力要小。以下以液壓閥組簡(jiǎn)單說(shuō)明自動(dòng)收放纜原理。

露天采煤機(jī)后退，電纜卷筒主動(dòng)卷纜過(guò)程: 先導(dǎo)手柄8.1，8.2 輸出的后退先導(dǎo)壓力，同時(shí)作用于控制行走的多路閥先導(dǎo)油口和壓力傳感器10，行走多路閥控制行走減速機(jī)馬達(dá)總成反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備后退；壓力傳感器10 將壓力轉(zhuǎn)化為電氣信號(hào)發(fā)送至控制器，控制器發(fā)送控制信號(hào)將電磁換向閥2 換向，高壓油自卷纜閥組P 口進(jìn)入，由減壓溢流閥1 減壓后，經(jīng)電磁換向閥2 進(jìn)入擺線馬達(dá)5 的A 口，擺線馬達(dá)5 的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速機(jī)6 減速后驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行收纜。通過(guò)單向節(jié)流閥4 調(diào)節(jié)擺線馬達(dá)5回油背壓調(diào)節(jié)卷筒的最大卷纜速度。露天采煤機(jī)前進(jìn)，電纜卷筒被動(dòng)放纜過(guò)程: 露天采煤機(jī)向前行走，電纜處于被拉緊狀態(tài)，電纜拉力驅(qū)動(dòng)電纜卷筒反轉(zhuǎn)，此時(shí)擺線馬達(dá)5 變?yōu)楸霉r，液壓油從擺線馬達(dá)5 的A 口流出，經(jīng)電磁換向閥2 后達(dá)到溢流閥3，當(dāng)油液壓力克服溢流閥3 的設(shè)定值后，溢流閥3 打開(kāi)，擺線馬達(dá)5 開(kāi)始反向旋轉(zhuǎn)，電纜被拉出。

圖2 卷纜控制系統(tǒng)原理圖

2.2 露天采煤機(jī)異步電機(jī)選型設(shè)計(jì)思路

三相異步電機(jī)選用基本原則如下：

（1）電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速及其它控制性能應(yīng)滿足機(jī)械特性和生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求，電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中對(duì)電源供電質(zhì)量的影響（如電壓波動(dòng)、謝波干擾等），應(yīng)在容許的范圍內(nèi)。

（2）按預(yù)定的工作制、冷卻方法基輔在情況所確定的電動(dòng)機(jī)功率，電動(dòng)機(jī)的溫升應(yīng)在限定的范圍內(nèi)。

（3）根據(jù)環(huán)境條件、運(yùn)行條件、安裝方式、傳動(dòng)方式，選定電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、安裝、防護(hù)形式，保證電動(dòng)機(jī)可靠工作。

露天采煤機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件功率不一，用途不一，三相異步電機(jī)選型需以實(shí)際需求而定，采煤機(jī)工作裝置如截割裝置、行走裝置、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置等都需要用到三相異步電機(jī)。

（1）用途及輸出形式

異步電機(jī)+減速機(jī)（分動(dòng)箱），輸出機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)能，主要用于截割裝置，皮帶傳動(dòng)等。

異步電機(jī)+液壓泵（高低壓水泵或氣動(dòng)泵），輸出端連接液壓泵實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行單元的功能，比如液壓馬達(dá)、油缸等動(dòng)作；輸出端連接高低壓水泵，實(shí)現(xiàn)增壓噴水功能；輸出端連接氣動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)執(zhí)行單元功能，比如增壓吹氣、氣動(dòng)缸功能。

（2）使用環(huán)境。異步電機(jī)滿足煤粉、灰塵、高低溫等環(huán)境，異步電機(jī)有防護(hù)式和封閉式兩種防護(hù)型式。按冷卻方式可分為風(fēng)冷（自冷式、自扇冷式和它扇冷式）和水冷等。按實(shí)際工況選擇合適的冷卻方式。在低溫環(huán)境下，電機(jī)要有加熱功能。

（3）電機(jī)保護(hù)。三相異步電機(jī)要具有以下保護(hù)功能，具體如下：

a.電機(jī)保護(hù)：電機(jī)具有缺相、過(guò)載、短路保護(hù)功能，具有反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)功能。

b.電機(jī)漏電閉鎖保護(hù)：當(dāng)電機(jī)檢測(cè)到有漏電發(fā)生時(shí)，能觸發(fā)漏電閉鎖保護(hù)功能，系統(tǒng)不允許電機(jī)啟動(dòng)；要求在電機(jī)啟動(dòng)前投入檢測(cè)，電機(jī)啟動(dòng)后不檢測(cè)；電機(jī)停止后延時(shí)投入檢測(cè)。

c.電機(jī)零序絕緣保護(hù)：在電機(jī)運(yùn)行中有漏電發(fā)生時(shí)，能觸發(fā)漏電絕緣保護(hù)，系統(tǒng)停止所有電機(jī)運(yùn)行。

d.電機(jī)啟動(dòng)沖擊保護(hù)：電機(jī)回路要配置阻容吸收器，減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊。

e.電機(jī)超溫保護(hù)：根據(jù)電機(jī)配置的溫度探頭種類(lèi)及數(shù)量實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度實(shí)時(shí)顯示，并且具有超溫故障顯示和電機(jī)保護(hù)功能。

2.3 露天采煤機(jī)中壓配電柜設(shè)計(jì)思路

整機(jī)通過(guò)電纜卷筒電纜將礦區(qū)落地6kV 變電站供電傳輸?shù)杰?chē)體后，要進(jìn)入中壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行分?jǐn)嘀袎夯芈芳案邏簷z測(cè)和安全防護(hù)。中壓?jiǎn)?dòng)柜實(shí)現(xiàn)負(fù)載電機(jī)的啟停、過(guò)載保護(hù)、絕緣監(jiān)測(cè)等。變壓器是將6kV 高電壓降壓后實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)載用電和控制用電需求。低壓控制柜實(shí)現(xiàn)柜體用電設(shè)備控制和整機(jī)低壓控制負(fù)載設(shè)備的連接、分配和控制。

基于露天煤礦實(shí)際工作環(huán)境和整機(jī)車(chē)體空間受限，宜采用高防護(hù)抗沖擊型外殼，在減小體積、笨重的同時(shí)做到全面保護(hù)。具體設(shè)計(jì)思路概括如下：

2.3.1 柜體的外殼和各功能單元之間的隔板均采用敷鋁鋅鋼板彎折后栓接而成，開(kāi)關(guān)柜已從結(jié)構(gòu)上考慮內(nèi)故障電弧的影響，柜頂應(yīng)設(shè)壓力釋放板。

2.3.2 開(kāi)關(guān)柜應(yīng)細(xì)分為若干個(gè)獨(dú)立隔室。各柜主母線室應(yīng)經(jīng)絕緣套管貫通，主母線安裝后，各柜主母線室應(yīng)被隔開(kāi)。

3 結(jié)論

中國(guó)的露天采煤設(shè)備經(jīng)歷了從人工開(kāi)采到機(jī)械開(kāi)采，從蒸汽動(dòng)力到燃油動(dòng)力，再到電氣動(dòng)力，從粗放管理到自動(dòng)糊、信息化、數(shù)字化再到智慧化概念。露天采煤機(jī)逐漸向著大型化、無(wú)人化方向發(fā)展，我國(guó)會(huì)廣泛應(yīng)用智能化大規(guī)模采煤，從而降低生產(chǎn)成本，提高采煤效益。