矿井动力供应系统优化方案

【任务描述】

本课题主要对矿井电力供应系统、压缩空气供应系统等矿井动力供应系统的概念和基本知识做介绍。通过本课题的实施，使学生理解掌握矿井供电的相关概念、矿井供电系统、煤矿电气设备的类型、矿用变压器、矿用开关设备、矿用电力电缆及矿井供电系统图等的基本知识；理解掌握矿井利用压缩空气作为动力源的特点和适用条件，空压机站及辅助设备等的基本知识。

【知识学习】

矿井动力供应系统包括电力供应系统和压缩空气供应系统。

一、电力供应系统

煤矿使用的采、掘、运等机械，除个别机械受特殊条件的限制，必须采用压缩空气、蒸汽或内燃机做动力外，其他设备基本上都采用电力做动力。由于煤矿是井下作业，用电环境中有多种爆炸性气体和煤尘等，因此煤矿企业在供电的可靠性、安全性等方面，比地面其他企业的供电要求更高。煤矿企业按其内部用户对供电可靠性的要求分为一类用户、二类用户和三类用户；不同的用户对供电可靠性有不同的要求。此外，煤矿企业供电在考虑可靠性、安全性等因素的同时，还要考虑技术可行性和经济合理性。

1.矿井供电的相关概念

（1）地面变电所 煤矿地面变电所是全矿供电的总枢纽，它的任务是把降压站送来的10kV或6kV的高压电通过高压配电设备、高压电缆送至地面提升机房、主通风机房、压风机房、瓦斯抽采泵站等变电室，通过配电箱向地面提升、通风、压气、瓦斯抽采等动力设备供电；通过变压器降为1140V、660V、380V、220V的低压电向地面其他动力设备和照明设备供电；同时通过至少两趟10kV或6kV的高压电缆由井筒向井下中央变电所供电。

（2）井下中央变电所 井下中央变电所一般设在井底车场附近，由地面变电所通过10kV或6kV的高压电缆将高压电由井筒送到井下中央变电所，经中央变电所的高压防爆配电箱、矿用高压电缆将10kV或6kV的高压电送往各采区变电所，并对井下中央水泵房的主水泵等高压用电设备供电；同时把部分10kV或6kV的高压电降为1140V、660V、380V等级的低压电对井底车场及其附近的推车器、翻车器等低压用电设备供电；再经照明综合保护装置将1140V、660V、380V等级的低压电降为127V的低压电，对井底车场及变电所的照明设备供电。井下中央变电所除分配电能外，还有降压及交流作用。

（3）采区变电所 采区变电所是将来自中央变电所的高压电能降低为1140V、660V、380V等级的低压电，通过防爆开关等控制设备、低压电缆送往各采、掘工作面配电点；并采用照明综合保护装置将1140V、660V、380V等级的低压电降为127V的低压电对采区照明设备供电。

（4）工作面配电点 采、掘工作面配电点设在采掘工作面附近，它将来自采区变电所的1140V、660V、380V的低电压通过低压防爆开关、矿用低压电缆供给各采掘作业点的采、掘、运低压用电设备，并通过照明综合保护装置将部分380V（或660V、1140V）的低压电降为127V，供配电点附近照明及电钻用电。

2.矿井供电系统

矿井供电方式有深井供电和浅井供电两种方式，一般根据井田范围、开采深度和矿井涌水量等条件来选择。开采深度超过100～150m，涌水量较大时，多采用深井供电方式，否则可选择浅井供电方式。

（1）深井供电方式 深井供电方式是将高压电缆由副井井筒敷设至井下中央变电所，通过井下中央变电所向各采区变电所配电，由采区变电所降压后再分别输送到各采掘工作面配电点，再由各配电点向井下所有用电设备供电。因此，煤矿一般在地面设地面变电所，在井下设井下中央变电所、采区变电所和工作面配电点。

（2）浅井供电方式 浅井供电方式分两种情况：当矿井开采面积较小，供电半径不大时，在井下不设井下中央变电所，仅设井下中央配电室，由地面变电所的变电设备将部分10kV或6kV的高压电降为1140V、660V、380V的低压电送至井下中央配电室，然后由井下中央配电室、各采掘工作面配电点向各采掘作业点的低压用电设备供电；并采用照明综合保护装置将部分380V（或660V、1140V）的低压电降为127V的低压电对井下照明设备供电。

当矿井开采面积较大，不能直接从井下中央配电室通过各采掘工作面配电点向各采掘作业点的低压用电设备供电时，可采用在井底车场设井下中央配电室一个配电点，将低压电缆沿副井井筒敷设至井下中央配电室；井底车场附近的低压用电设备可由井下中央配电室的低压防爆开关将地面变电所送来的1140V、660V、380V的低压电供电。采区供电则采用在与采区相对应的地面设置地面变电室，由地面变电室通过矿用变电设备将地面变电所送来的部分10kV或6kV的高压电降为1140V、660V、380V的低压电后，通过钻孔（或为该采区服务的运送人员井、辅助提升井等）送至井下各采掘工作面配电点，由各采掘工作面配电点向各采掘作业点的低压用电设备供电。

（3）煤矿常用电压等级 目前，我国煤矿常用的三相交流电的线间额定电压有35kV、10kV、6kV、1140V、660V、380V、220V和127V等。

35kV，一般为矿井地面变电所的电源进线电压；

10kV或6kV，可作为矿井地面变电所的电源进线电压，也可作为井下中央变电所、采区变电所和大型设备（如提升机、主通风机、主水泵等）的供电电压；

3kV或1140V，为综采工作面的用电电压；

660V，为井下采、掘、运、装等机械的用电电压；

380V，为地面或小型机械的用电电压；

220V，为地面照明用电电压；

127V，为井下照明和煤电钻的用电电压；

36V，为信号、操纵线路的用电电压。

煤矿常用的直流电电压有以下几种。

250V或550V，为架线式电机车的用电电压；

120V、110V、80V、36V，为蓄电池电机车的用电电压；

2.5V、4V，为矿灯的用电电压。

（4）煤矿供电系统 图6-16所示为由电网到采掘工作面配电点的供电系统示意图。其系统可简单地归纳为：电网电源→煤矿地面变电所→井下中央变电所→采区变电所→采掘工作面配电点→采掘工作面。电源有甲乙两条回路，当任一条回路发生故障停止供电时，另一条回路仍能担负矿井全部负荷。正常情况下时，如果甲回路运行，则乙回路应带电备用，以便甲回路出故障时，乙回路能迅速投入使用，确保生产过程中供电的连续性。

地面变电所向井下中央变电所供电的线路不能少于两个回路，当任一回路停止供电时，其他回路应能正常供电。

随着采、掘工作面机械化程度的提高，工作面用电容量加大，且采区范围加大，输电距离加长，为了降低输电线路电能消耗，常采用移动变电站向工作面配电点供电，移动变电站距工作面100～250m。

图6-16 矿井供电系统示意图

1—地面变电所 2—井下中央变电所 3—采区变电所 4—工作面配电点

3.矿用电气设备的类型

（1）矿用一般型电气设备 矿用电气设备根据其结构特点和要求不同，分为矿用一般型和矿用防爆型两大类。

矿用一般型电气设备在外壳上有“KY”标志。这类电气设备有较高的机械强度，防水、防潮，有较好的封闭和机械电气闭锁装置，用于防止在带电情况下打开或防止未盖好、未插好插销就送电等。因为矿用一般型电气设备没有防爆性能，所以只适用于无瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井。在有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井中，限用于井底车场、总进风巷或主要进风巷道等通风良好而爆炸可能性很小的地点。

（2）矿用防爆型电气设备 矿用防爆型电气设备（爆炸环境用电气设备）是指按GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备 通用要求》标准生产的专供煤矿井下使用的防爆电气设备，其外壳和设备铭牌上都标有“Ex”字样。

矿用防爆型电气设备按GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备 通用要求》分为I类、Ⅱ类和Ⅲ类。

I类防爆型式电气设备考虑了瓦斯和煤粉的点燃特点，采取了相应的措施，并增加了井下用设备的物理保护措施，用于瓦斯爆炸气体环境。

Ⅱ类电气设备用于除煤矿瓦斯气体之外的其他爆炸性气体环境。

Ⅲ类电气设备用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境。

按防爆结构的不同，I类矿用防爆型电气设备又分为矿用隔爆型电气设备（ExdI）、矿用增安型电气设备（ExeI）、矿用本质安全型电气设备（ExlaI、ExlbI和ExlcI）、矿用正压型电气设备（ExpxI、ExpyI和ExpzI）、矿用油浸型电气设备（ExoI）、矿用充砂型电气设备（ExqI）、矿用“n”型（无火花、火花保护、限制呼吸和限能型）电气设备（ExnAI、ExnCI、ExnRI和ExnLI）、矿用浇封型电气设备（ExmaI、ExmbI和ExmcI）等型式。

井下选用的电气设备，必须符合表6-4的规定。

表6-4 井下电气设备选用规定

注∗使用架线电机车的巷道中及沿该巷道的机电设备硐室内或已采用矿用一般型电气设备（包括照明灯具、通信、自动化装备和仪表、仪器）。

∗∗煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井的井底车场的主泵房内，可使用矿用增安型电动机。

∗∗∗允许使用经过安全检测鉴定，并取得煤矿矿用产品安全标志的矿灯。

4.矿用电力变压器

矿用变压器是主要用来向井下低压动力供电的变电设备，将10kV或6kV高压电变为1140V、660V或380V低压电等向井下低压动力设备供电。它分为矿用一般型和矿用隔爆型两种。

（1）矿用一般型变压器 矿用一般型变压器的器身安装在坚固的油箱中，进出线采用电缆接线盒。低压侧设有6个接线柱，可根据用户的需要接成星形或三角形以得到两种电压，200kV·A及以下容量的输出电压为660V。由于矿用一般型变压器没有防爆性能，只适用于通风良好的井下变电硐室内。目前使用较多的是KS₉、KS₁₁系列的节能低耗矿用变压器，其外形如图6-17所示。

（2）矿用隔爆型变压器 矿用隔爆型变压器的器身安装在隔爆外壳中，壳内没有易燃性绝缘油（故称干式），比较安全，便于维修，但散热和绝缘性能较差。为增加散热面同时也增加外壳强度，隔爆外壳侧面采用瓦楞钢板结构。外壳底座拖橇下还可增设滚轮，制成移动式变压器，也可与矿用隔爆高、低压开关配合组成移动变电站，向综采工作面设备供电。另外，向煤电钻和井下照明供电的变压器也采用隔爆型，它将1140V、660V、380V电压变为127V，其一次侧可以接成星形或三角形以适应不同电源，通常与其一、二次侧开关及保护装置组成煤电钻变压器综合保护装置或照明综合保护装置，直接向煤电钻或井下照明供电。

图6-17 KS系列矿用一般型变压器示意图

1—箱体 2—吊环 3—注油指示器 4—油位指示器 5—温度计 6—接地螺钉 7—放油塞 8—高压侧电缆接线盒 9—低压侧电缆接线盒

由于矿用隔爆型变压器具有防爆特征，适用于安装在有瓦斯和煤尘爆炸危险工作面的平巷内，对采掘工作面动力设备供电。目前使用较多的有KBSG系列矿用隔爆型变压器，其外形如图6-18所示，它是移动变电站的主要变压器。

图6-18 KBSG系列矿用隔爆型变压器示意图

1—高压出线盒 2—高压接线盒 3—高压箱盖 4—接线盒盖 5—铭牌 6—箱体 7、9—低压箱盖 8—低压接线盒 10—低压出线盒

5.矿用开关设备

开关是通、断电的设备，因其电压高、电流大，且设置于井下有爆炸性危险的环境中，其隔爆性能要求较为复杂。井下常用的电气开关有以下几种。

1）隔爆高压配电箱。它是井下中央变电所必备的设备，装置在高压线路上，起开关作用，用于控制电力变压器、高压电动机等，使用较多的产品型号为PBL-6型，用氟化硫断路器代替了油断路器，分断容量大，安全性能好，额定电压均为6kV或10kV。

2）矿用隔爆型智能真空馈电开关。矿用隔爆型智能真空馈电开关控制器采用了16位微控制器，经过抗干扰处理，工作可靠、保护精度高、反应速度快；具有过载、短路、断相、漏电、漏电闭锁、欠压以及过压保护功能，并可选配控制模块实现远程监控；适用于含有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的煤矿井下，在交流50Hz，电压1140V或660V，电流至400A的中性点不接地的三相电网中，做配电总开关或分支开关。总开关具有附加直流电源的漏电保护，分开关具有选择性漏电保护，并可与风机实现风电闭锁等功能。一般不直接用它来起动电动机，而把它放在中央变电所、采区变电所、移动式变电站和工作面配电点，作为低压输电干线上的总开关或分支开关，用来控制和保护1140V、660V的低压输电线路。矿用隔爆型智能真空馈电开关型号为KBZ-400/1140（660）Z等，如图6-19所示。

图6-19 KBZ-400/1140（660）Z矿用隔爆型真空馈电开关

a）外形图 b）结构图

3）矿用隔爆型真空电磁起动器。矿用隔爆磁力起动器把电气触点或开关放置在有空气存在的隔爆外壳中，所以统称为空气开关。由于空气的存在，触点或开关在通、断时迫使气体电离而产生电弧，且电压越高、电流越大，电弧现象就越严重。这不仅不够安全，而且影响触点的寿命。随着大功率采煤机的使用，起动器的电压上升至千伏级，电流也大到数百安培，加上起动器动作频繁，空气开关的缺点就更加突出。因此，磁力起动器或手动起动器已经淘汰，被矿用隔爆型真空磁力起动器（简称真空开关）代替。真空开关的特点是主触点被密封在高度真空的圆筒形陶瓷真空灭弧室内，其主要型号有QBZ-80、120、200/1140（660、380）型。

6.矿用电力电缆(www.xing528.com)

矿用的电力电缆主要有铠装电缆、橡套电缆和塑料电缆等。

铠装电缆具有“金属铠甲”外皮保护，强度大，不易弯曲，其构造如图6-20所示。铠装电缆可用于井下输电干线和向固定、半固定设备供电，一般在井筒、运输大巷或采区巷道中使用。

橡套电缆又分为矿用橡套电缆和屏蔽橡套电缆两种，如图6-21和图6-22所示。橡套电缆容易弯曲且较轻便，便于向移动式设备供电，一般在区段巷道和工作面中使用。屏蔽橡套电缆可与漏电保护配合，在电缆发生短路前切断电源，防止短路电弧引爆瓦斯或煤尘，故适用于向有爆炸危险的工作面设备输电。

图6-20 铠装电缆示意图

1—导电芯线 2—分相纸绝缘 3—充填物 4—统包纸绝缘 5—铝护套 6—防腐层 7—黄麻保护层 8—金属铠装

图6-21 橡套电缆示意图

1—导电芯线 2—混合胶套 3—垫芯 4—保护橡胶套

图6-22 矿用橡套屏蔽电缆示意图

1—导电主芯线 2—绝缘层 3—聚酯薄膜 4—屏蔽层 5—外护套 6—地线 7—控制线内护套 8—控制线外护套 9—屏蔽层

塑料电缆的芯线绝缘和护套全部采用塑料制成。这种电缆外部若加铠装，则与铠装电缆相似，不加铠装，则与橡套电缆相似。塑料电缆的优点：允许工作温度高，绝缘性能好，护套耐腐蚀，铺设的落差不受限制等，因此在条件适合时应尽量采用塑料电缆。

7.井下电气设备的特点

井下电气设备具有以下特点。

1）井下空间狭窄，矿井电气设备尺寸应尽量缩小。

2）采区设备移动频繁，矿井电气设备应便于移动。

3）井下经常爆破，顶板经常有落石、片邦等现象，需要矿井电气设备外壳坚固。

4）井下潮湿，并有矿尘和滴水，触电的危险性很大，矿井电气设备外壳应该封闭，绝缘材料应该防潮，并设有预防触电的闭锁装置。

5）井下有瓦斯和煤尘爆炸的危险，矿用电气设备要有防爆性能。

8.矿井供电系统图

为表示矿井供电线路、供电设备型号、电缆规格及长度，以及用电设备等情况，将矿内地面变电所、井下中央变电所、采区变电所等的变压器、配电装置、电力线路以及用电设备等，按照一定方式互相连接起来的一个整体，以便矿山供电专业技术人员和生产技术管理人员了解井下供电情况，研究和解决井下供电问题的图纸称为矿井供电系统图。

图6-23所示为镇雄县麻塘煤矿地面变电所10kV供电系统图，图6-24所示为地面低压配电系统图，图6-25所示为井下供电系统图。

图6-26 镇雄县麻塘煤矿地面变电所r0NV供电系统图

图6-24 镇雄县麻塘煤矿地面低压配电系统图

图6-25 镇雄县麻塘煤矿井下供电系统图

二、压缩空气供应系统

生产压缩空气的机器称为空气压缩机（简称压气机）。在我国煤矿企业中，除电能外，压缩空气是比较重要的动力源之一。

1.概述

煤矿使用着各种风动机具，如风镐、凿岩机、混凝土喷射机等，它们不直接用电力驱动，而是采用压气机将电能转换为压缩空气，再以压缩空气作为动力直接驱动，利用压缩空气能做功。

利用压缩空气作为动力源与利用电能作为动力源相比有以下优点。

1）在有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井中，使用压缩空气作为动力源比电力源安全。因风动机具工作时不产生火花，这就减少了引起瓦斯爆炸的可能性。

2）煤矿使用的风动机具，如凿岩机、风镐等大部分是冲击式机械，它们工作的对象是坚硬的岩石或煤，所以工作中的负载变化较大，而压缩空气本身具有良好的弹性和冲击性能，适合于变负载条件下工作时作为动力源。

3）以压缩空气为动力源的风动机具，体积小、质量轻、结构简单、功能多、故障少、易操作和维修、振动和冲击性能好、安全可靠。

利用压缩空气作为动力源的缺点：压气设备本身的效率较低，而压缩空气又是二次能源，所以运行费用较电能费用高，总效率较电能低，且必须用管道输送，井下某些移动设备带一个供风软管，使用不方便。

利用压缩空气作为动力源的适用条件：由于煤矿生产过程中温度高、湿度大、粉尘多，还存在瓦斯等有毒有害气体，为确保煤矿安全生产，煤矿仍在广泛使用压缩空气作为动力源。

2.空压机站及辅助设备

空压机站一般布置在井口附近，以减少主压风管路的长度及压降。空压机站址应设在空气洁净、通风良好、日照较弱，距矸石场、烟囱有一定距离，并位于主导风流上方；便于安装、维护运输空压机及辅助设备的位置。

空压机站的空气压缩机及辅助设备等由空气压缩机、拖动电动机、附属装置（滤风器、风包、冷却装置等）和输送管道等组成。往复式空压机站的主要及辅助设备如下，其布置如图6-26所示。

图6-26 压气机站布置示意图

1—压气机 2—电动机 3—后冷却器 4—储气罐 5—过滤器 6—输风管

（1）主要设备 空压机站的主要设备是空气压缩机和拖动电动机。空气压缩机的种类很多，煤矿使用的以往复式空气压缩机（亦称活塞式）为主。根据工作状态，往复式压气机可分为固定式和移动式两类。一般固定式的额定排气量为10～100m³/min，移动式的额定排气量为9m³/min以下，两者的排气压力均为0.7～0.8MPa。往复式压气机按气缸的布置方式分为立式、卧式、角度式（L型、V型、t型）三类，煤矿中常用的是角度式L型往复式压气机。

（2）辅助设备

1）吸气管路及空气过滤器。吸气管路长度一般不应大于10m，吸气管口装有空气过滤器。空气过滤器的作用是阻止空气中的尘埃被吸入压气机内，以免弄脏和损坏气阀、气缸壁和活塞。

2）排气管路及风包。储气罐也称风包，安装在压气机与排气管路之间，其作用是缓和由于压气机排气的不连续而引起的压力波动，除去压气中的水分和润滑油。此外，风包还能储存一定量的气压。

压气机与风包之间的排气管路上需装设逆止阀。

3）压风管。输送压缩空气的管道简称压风管，压风管一般采用焊接钢管，其耐压力为2.5倍的工作阻力。永久性压风管采用无缝钢管，并采用法兰盘连接；临时性且经常移动的压风管采用无缝钢管，用快速接头连接；经常移动的压风管则采用高压橡胶管和铁丝连接。

4）空压机冷却器。气体的压力与温度成正比，当空气被压缩时，空气的温度以及气缸的温度都要增高，因此在两级空压机两级之间，有时还要在空压机与风包之间设冷却器。两级空压机两级之间的冷却器称为中间冷却器，空压机与风包之间的冷却器称为后冷却器，冷却水流过水套将缸体或管道内的热量吸收，以降低压气的温度。

冷却水可由单独的水泵、水箱或其他水源供给，采用暂时硬度不大于10度的清洁非酸性水。当冷却水中断时应设有报警装置，以免空气温度骤增而发生事故。

一般冷却水的供水方法有直流式和循环式两种，循环水的冷却可采用冷却塔或喷水池。

冷却水除对压缩空气进行冷却外，还促使水蒸气和油雾更好地凝结和分离。

【任务考评】

本课题的考评表见表6-5。

表6-5 任务考评表

【思考与练习】

1.简述地面变电所、井下中央变电所、采区变电所及工作面配电点的概念及选择采区变电所应考虑的因素。

2.简述矿井供电方式的种类。

3.煤矿常用电压等级有哪几个？各适用于什么条件？

4.矿用电气设备有哪些类型？各适用于什么条件？

5.高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井应使用哪种类型的矿用变压器和矿用开关？

6.井下电气设备有哪些特点？

7.简述矿井利用压缩空气作为动力源的特点和适用条件。

8.空压机站的主要设备和辅助设施有哪些？