煤礦供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)

＊胡青曦

（山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司 山西 032000）

社會(huì)活動(dòng)與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷開展推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平不斷提高的同時(shí)，也對(duì)能源行業(yè)提出了更高的要求。特別是隨著能源危機(jī)問題的日益凸顯，煤礦行業(yè)作為我國(guó)傳統(tǒng)支柱性產(chǎn)業(yè)，不僅需要保證開采數(shù)量，保證能源供應(yīng)，還需要提高開采效率，降低能耗。眾所周知，煤礦開采過程通常具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，作為與井下作業(yè)人員人身安全具有緊密聯(lián)系的主要因素，供電系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)逐漸引起了相關(guān)管理人員的廣泛關(guān)注，在一定程度上保障了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全。然而，隨著煤礦企業(yè)開采深度與復(fù)雜程度的不斷增加，很多煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在一系列亟待完善的問題。為了營(yíng)造更安全的煤礦開采環(huán)境，需要相關(guān)技術(shù)人員加強(qiáng)自身專業(yè)知識(shí)，提高設(shè)計(jì)合理性。

因此，本文首先對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的分類及供電類型進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)進(jìn)行了探討，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，以期為我國(guó)煤礦行業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久發(fā)展提供一定理論依據(jù)。

1.煤礦供電系統(tǒng)的分類及供電類型

(1)煤礦供電系統(tǒng)的分類

如圖1所示，煤礦供電系統(tǒng)作為一個(gè)整體，通常包括變電所及相關(guān)配電點(diǎn)等主要設(shè)施，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求按照合理的方式進(jìn)行連接，為煤礦企業(yè)提供所需的電力服務(wù)。其中，變電所作為重要的組成部分，主要分為以下幾種：一是位于地面的變電所，作為供電系統(tǒng)的樞紐，起到為整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行供電的作用。通常情況下，煤礦企業(yè)只會(huì)設(shè)置一個(gè)地面變電所，倘若礦井分布位置較為分散，可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)其數(shù)量進(jìn)行合理調(diào)整，保證供電安全；二是位于井下的中央變電所，作為井下供電的重要環(huán)節(jié)，由地上變電所提供電源，向其他變電所提供電力；三是采區(qū)變電所，其主要任務(wù)是向巷道及工作面等區(qū)域提供電力服務(wù)[1]。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)示意圖

(2)煤礦供電系統(tǒng)供電類型

對(duì)于供電方式的選擇，相關(guān)設(shè)計(jì)人員通常是根據(jù)煤礦實(shí)際生產(chǎn)水平、煤層埋藏深度、礦井瓦斯情況等進(jìn)行，主要包括以下兩種類型：一是深井供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常應(yīng)用于開采難度較大的礦井，由于其煤層埋藏深度較深，因此需要較多的電力供應(yīng)服務(wù)。現(xiàn)階段，為了更好的保障供電安全，我國(guó)大型煤礦企業(yè)通常采用三級(jí)高壓供電的方式進(jìn)行，即從母線上引出下井電纜送至井下變電所，再經(jīng)由高壓電纜為采區(qū)變電所提供電能。二是淺井供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常用于開采難度較小的煤礦，對(duì)于煤層埋藏深度較小的礦井，其開采過程中相關(guān)電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)所需的電能通常屬于低壓，為了更好的幫助煤礦企業(yè)降低運(yùn)營(yíng)成本，淺井供電系統(tǒng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。具體而言，就是通過地面變電所將低壓運(yùn)送至位于井下的淺井供電系統(tǒng)，再通過配電所向開采區(qū)域提供電力服務(wù)。

2.煤礦供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)

(1)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

在對(duì)煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，提高設(shè)計(jì)方案的合理性與科學(xué)性，從而更為高效的為煤礦企業(yè)提供電力服務(wù)。當(dāng)前階段，我國(guó)煤礦供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾方面。

①可靠性。確保供電系統(tǒng)的可靠性是煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的前提保障。這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員確保供電系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中不出現(xiàn)供電故障，避免安全事故的發(fā)生。因此，對(duì)于煤礦企業(yè)來說，就需要其根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求選擇合理的供電設(shè)備，保證不間斷供電的同時(shí)，提高使用性能及效率，提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)，還需要安排相關(guān)技術(shù)人員對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行定期檢修與維護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取措施進(jìn)行解決，保證井下采取的電力供應(yīng)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。

②安全性。煤礦開采環(huán)境通常較為惡劣，長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境的供電設(shè)備極有可能受到多方面因素的影響而出現(xiàn)故障，一旦現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極有可能引發(fā)重大安全事故，影響煤礦企業(yè)的正常運(yùn)行。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行具體工作過程中，首先要確保供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性，為井下開采作業(yè)的安全運(yùn)行提供有力保障。

③經(jīng)濟(jì)性。隨著煤礦開采行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的不斷增加，煤礦企業(yè)在保證開采安全的前提下，也將更多的關(guān)注點(diǎn)放在運(yùn)營(yíng)成本方面。因此，對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)人員來說，在保證供電系統(tǒng)合理性的同時(shí)，也應(yīng)充分考量設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性，一方面要嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，保證煤礦企業(yè)的供電安全，另一方面也應(yīng)結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)方案的合理性。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，從而更好的幫助煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益。

(2)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

煤礦企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行過程中，不可避免的會(huì)受到多種因素的影響導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行具體的作業(yè)過程中，對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行較為全面的考量，選擇合理的變壓器，提高供電系統(tǒng)容量，最大程度的降低供電故障的發(fā)生概率，更好的保障煤礦生產(chǎn)安全。具體而言，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。

①合理設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)。提升供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的首要內(nèi)容是需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)煤礦企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求合理考量用電負(fù)荷并選擇相應(yīng)的變壓器，提高供電效能，提升供電系統(tǒng)工作效率。這就要求相關(guān)技術(shù)人員在科學(xué)計(jì)算變壓器功率后，對(duì)供電系統(tǒng)的實(shí)際容量進(jìn)行分析，有效改善諧波分量問題。

②優(yōu)化電纜型號(hào)截面。電纜在供電系統(tǒng)中起到了不容忽視的作用，這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員充分結(jié)合電流運(yùn)行情況，選擇合理的電纜型號(hào)，對(duì)其截面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提升電力輸送效果。同時(shí)，還需要準(zhǔn)確計(jì)算最大電壓損失值，從而更好的保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

③其他方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。除上述內(nèi)容外，相關(guān)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意以下幾方面內(nèi)容：一是在小功率機(jī)械設(shè)備的使用過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為后續(xù)檢修維護(hù)工作的進(jìn)行奠定良好的基礎(chǔ)；二是在具體的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)煤礦企業(yè)所在地的實(shí)際情況進(jìn)行合理優(yōu)化，比如，對(duì)于較為寒冷的區(qū)域，可以采用集中制冰輸冷降溫法來實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的降溫需求，提高制冷效果；三是在機(jī)械設(shè)備的采購(gòu)方面，可以將更多的關(guān)注點(diǎn)放在操作簡(jiǎn)單的設(shè)備上，一旦出現(xiàn)故障，可以縮短維修時(shí)間，提高安全系數(shù)；四是在對(duì)制冰系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于該系統(tǒng)的安裝通常具有較長(zhǎng)的周期以及較高的成本，這就要求相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，提高設(shè)計(jì)方案的合理性。

(3)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

要想提高供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性，就需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員科學(xué)選擇相應(yīng)的組件，比如，變壓器、電纜、短路電流等。在選擇變壓器的過程中，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)電壓負(fù)載進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，保證供電可靠性的同時(shí)減少開關(guān)及電纜等元件的使用，降低故障發(fā)生概率；比如在變電所的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量由變壓器直接給工作面進(jìn)行供電，避免局部停電引發(fā)的大面積供電故障；比如在對(duì)開關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)允許電流通過來選擇相應(yīng)的截面，并對(duì)電壓情況進(jìn)行核算。除此之外，對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)來說，還需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格按照相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各元件的阻抗及短路電流進(jìn)行核驗(yàn)，保證供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

①變電所的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行中央變電所選址過程中，首先要便于大體積設(shè)備的運(yùn)輸，同時(shí)要提供充足的空間為后續(xù)設(shè)備的增加做準(zhǔn)備。同時(shí)，還需要保證較好的通風(fēng)環(huán)境，避免出現(xiàn)溫度過高的問題影響供電安全；其次要根據(jù)巷道分布情況，將其布置在進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷之間。其設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾方面內(nèi)容：一是在保證滿足生產(chǎn)需求的前提下，盡量減少設(shè)備使用數(shù)量，對(duì)于超過一臺(tái)的變壓器，應(yīng)保證變壓器負(fù)荷分配的合理性，同時(shí)避免并聯(lián)運(yùn)行的出現(xiàn)；二是在供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)最大程度的避免回頭供電的出現(xiàn)；三是變電所的供電需通過專用變壓器、開關(guān)及線路進(jìn)行；四是對(duì)于工作面等區(qū)域，需配備相應(yīng)的保護(hù)裝置。

②變壓器的選擇。隨著煤礦企業(yè)開采深度的不斷增加，供電距離也在相應(yīng)增大，在一定程度上導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)電壓降低的問題，給機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的不利影響。這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員在具體工作過程中充分考慮上述問題給供電系統(tǒng)所造成的影響，提高設(shè)計(jì)方案的合理性。因此，在對(duì)變壓器進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)開采實(shí)際情況，對(duì)變電所的容量及開關(guān)類型進(jìn)行科學(xué)選擇，提高變壓器的可操作性，為后續(xù)工作的進(jìn)行提供有力保障。

其中，供電系統(tǒng)極有可能由于各種因素而出現(xiàn)電壓波動(dòng)的問題，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員做好以下三方面工作：一是積極應(yīng)用先進(jìn)的新興設(shè)備，比如非線性電力負(fù)荷采煤機(jī)械設(shè)備，從而更好的保證煤礦開采的安全性與穩(wěn)定性；二是加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究，特別是對(duì)于諧波分量問題的處理，避免其對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響；三是在設(shè)計(jì)初期，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)煤礦實(shí)際情況，結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行全面分析，選擇合理的變壓器，提升系統(tǒng)容量，降低供電系統(tǒng)運(yùn)行故障發(fā)生的概率，提升供電效率。

3.煤礦供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

如上所述，煤礦開采安全與井下作業(yè)人員的人身安全具有十分緊密的聯(lián)系，這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員不斷提升自身專業(yè)水平，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，提高供電效率的同時(shí)最大程度的避免供電故障[2]。

(1)完善繼電保護(hù)設(shè)備系統(tǒng)

繼電保護(hù)裝置是避免煤礦企業(yè)在遇到電力故障時(shí)發(fā)生更為嚴(yán)重安全事故的主要因素，因此，對(duì)于煤礦企業(yè)來說，一方面要不斷完善繼電保護(hù)設(shè)備系統(tǒng)，提高其工作效果，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，降低故障發(fā)生概率；另一方面要根據(jù)煤礦企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，不斷引進(jìn)先進(jìn)的電氣化設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，更好的保障煤礦企業(yè)的運(yùn)行安全。

(2)加大供電設(shè)施檢修力度

對(duì)于煤礦企業(yè)來說，保證供電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定是其實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的前提條件。這就要求相關(guān)管理人員做好以下兩方面工作：一是定期安排相關(guān)技術(shù)人員對(duì)供電設(shè)施進(jìn)行檢修與維護(hù)，保證其具有良好的使用性能，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行更換，避免發(fā)生故障；二是根據(jù)煤礦企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，在設(shè)計(jì)過程中選擇工作效率較高的供電設(shè)備，降低能耗水平，同時(shí)對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，推動(dòng)煤礦行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

(3)引入電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

信息化技術(shù)水平的不斷提高推動(dòng)了各行各業(yè)對(duì)于智能設(shè)備的應(yīng)用，作為我國(guó)的傳統(tǒng)行業(yè)，加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用就成為煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的重要手段。如圖2所示，井下供電監(jiān)控系統(tǒng)一方面可以幫助相關(guān)管理人員更好的了解井下電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，避免故障發(fā)生引發(fā)重大安全事故；另一方面也可降低井下作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，避免其在具體作業(yè)過程中出現(xiàn)違規(guī)操作，更好的保障人員安全。

圖2 井下供電監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

4.結(jié)論

綜上所述，煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的前提條件是具有可靠的供電系統(tǒng)，因此，對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)人員來說，不僅要根據(jù)煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況合理的對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要充分考慮其經(jīng)濟(jì)性，提高資源利用效率的同時(shí)幫助煤炭企業(yè)降低成本支出，從而使整個(gè)礦區(qū)安全有效的生產(chǎn)運(yùn)行最大化。