摘要：塔然高勒矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，本设计根据矿井负荷，选取最优的供电方案，并进行设备选型，选用合适的保护。同时根据不同的用户类型，分设变电站，保障了矿井的供电需求与安全。
关键词：塔然高勒煤矿；供电设计；设备选型
1.井田概况
塔然高勒矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，勘查面积 347.68km2。矿区总体规划井田境界面积 492.3km2。井田境界范围井田东西最长 25.439km，南北最宽 15.692km，面积 227.248km2。设计井田边界内总资源量 1547.41Mt，地质储量 1386.38Mt，矿井设计可采储量为 1003.71Mt。
塔然高勒矿井位于鄂尔多斯电网西北部的杭锦旗。该地区现有电厂二座（达拉特电厂、乌拉山电厂），500kV变电站一座（布日都），220kV变电站一座（杭锦旗），110kV变电所三座（独贵、白音青格利、塔然高勒）。本矿的供电电压等级为35kV，两回35kV电源均取自地区塔然高勒110kV变电所。地区塔然高勒变电所已建成，内设2台主变压器，容量为63MVA，一回110kV进线引自杭锦旗220kV变电所；另一回电源引自呼斯梁220kV变电所。
2.电力负荷
经计算，矿井电力负荷如下：
设备总台数：27台；设备工作台数：392台；设备总容量：52827.3kW；设备工作容量：48203.3kW；35kV变电所10kV母线上考虑0.8的同时系数后计算负荷为:有功功率：32723.8kW；无功功率：24950.7kvar；自然功率因数:0.80；电容器补偿容量:20000kvar；补偿后有功功率:32723.8kW；补偿后无功功率:4950.7kvar；补偿后功率因数:0.99；视在功率:33096.2kVA；矿井吨煤电耗：11kW.h/t。
3.供电系统设计
本次设计在工业场地新建一座35kV变电所，两回电源均引自地区塔然高勒110kV变电所35kV不同母线段上，输电线路分别为LGJ-240/5km、LGJ-240/4.6km。
3.1 35kV变电所主接线
根据矿井电源条件、负荷分配情况以及场地布置，考虑如下三个方案：
第一方案，变电所内设两台35/10kV，40MVA的变压器。一台工作，一台备用，当一台变压器故障或检修时，另一台变压器能保证矿井所有负荷用电。变电所35kV和10kV均采用单母线分段接线。
第二方案，变电所内设两台35/10kV，31.5MVA的变压器，两台同时工作。当一台变压器故障或检修时，另一台变压器能保证矿井一、二类负荷用电。变电所35kV和10kV均采用单母线分段接线。
第三方案，变电所内设三台35/10kV，20MVA的变压器，前期时上两台，等负荷增加后，适时再上一台。筹建后期及生产初期两台变压器一台工作，一台备用，达产后三台变压器两台工作，一台备用。变电所35kV采用双母线接线，10kV采用单母线分段接线。
经估算，第一、二、三方案的一次投资相差不大，现内蒙古供电局年基本电费有两种收取方式，一种方式是按变压器容量收取，收费标准是19元/1kVA/每月，另一种方式是按最大需量收取，收费标准是28元/1kW/每月，但变压器负荷率不能低于75%。
经比较第三方案供电可靠，年基本电费按变压器容量收取时为最省，便于扩建，运行灵活，可很好地兼顾矿井筹建后期、生产初期和达产后的建设、生产用电，所以设计选用第三方案。
35kV侧采用双母线接线，10kV侧采用单母线分段接线方式。主变压器按三台考虑，型号为SZ11-20000/110的主变压器，电压为35/10kV。
3.2主要设备选型
考虑到矿井的工作制为三班生产，一班检修，一天内负荷变化比较大，所以主变压器选用三台有载调压变压器，型号为SZ11—20000/35电压为35±3×2.5%/10.5kV，接线为Y，d11；运行方式为二台运行，一台备用，负荷率为82.7%，保证率为100%。
3.3供电方案的主要技术特征
35kV变电所设35kV、10kV两个电压等级。35kV两回电源进线。对于35kV变电所的35kV侧主接线方式采用双母线接线方式，10kV侧采用单母线分段接线方式。
35kV采用KYN-40.5（S）铠装移开式金属封闭开关设备，内配真空断路器型号为ZN72－40.5；10kV采用AMS-12铠装移开式金属封闭开关设备，内配真空断路器型号为VEP。
3.4防雷接地
变电所内设有防止直接雷击及雷电波侵入的保护设施。直接雷击保护采用30m高避雷针四支。在变电所的35kV及10kV母线上均装设氧化锌避雷器，以防止雷电波侵入对电气设备的破坏。
在变电所内设有以水平接地极为主的环形接地网，接地网外缘闭合，内敷水平均压带，其接地电阻应不大于1Ω。
3.5短路电流计算
塔然高勒110kV变电所35kV母线最大、最小运行方式下短路阻抗分别为0.6455和0.6471。经计算，最大运行方式下，最大运行方式下矿井工业场地35kV变电所35kV母线的短路容量为129.15MVA，10kV母线的最大三相短路容量为76.96MVA。短路电流计算结果见表1。
表1 短路电流计算结果表
4.继电保护及自动装置
本变电所的二次设备均采用变电站综合自动化装置，完成变电站的监控及保护功能，所设保护分述如下：
（1）35kV保护
35kV进线装设过电流保护；35kV进线装设无压跳闸保护；35kV分段装设备自投保护；35kV中性点装设零序过流保护；35kV电压互感器装设电压切换装置；35kV侧母线装设绝缘监测装置。
（2）主变压器保护
主变压器二侧装设纵差保护、瓦斯保护、过电流保护、过负荷保护、温度保护、风扇故障保护、油位过低保护等。
（3）10kV保护
10kV馈出线装设三段式电流保护、过负荷保护、故障录波、有选择性的单相接地保护，架空出线装设三相一次重合闸；10kV电容器出线装设二段相电流保护、过电压保护、低电压保护、不平衡电压保护；10kV母线装设充电保护；10kV电压互感器装设电压切换装置；10kV侧母线装设绝缘监测装置。
5.单相接地电容电流的限制
经计算本矿井10kV系统单相接地电容电流在矿井为10.0Mt/a生产能力时为74.6A，已超过《煤矿安全规程》和《矿山电力设计规范》规定的允许值，必须采取补偿措施，为此在工业场地选用BSTG消弧、消谐及过电压保护装置2套，以提高运行的安全性及可靠性。
6.动态无功补偿及谐波治理
由于本矿主井采用的提升机为大功率交－交变频传动系统，将产生较严重的谐波电流，恶化电网供电质量，在提升机频繁起停运行中，电压的畸变和谐波的超标，将对其它用电设备的正常工作带来威胁。理论上除将产生11、13、17等次特征谐波外，还会在每个特征谐波两侧伴生边频谐波。在工业场地35kV变电所10kV母线上加装滤波器来集中治理的方式，选用磁控式SVC动态无功补偿及滤波装置二套，每套的补偿容量12000kvar。
7.送电线路技术特征
本地区一般地形海拔标高在＋1410～＋1500m之间，线路所经地区大部分为沙丘沙地，线路全程选用铁塔。线路设计采用如下气象条件： 最高温度+36.6℃（采用+40℃）、最低温度－27.9℃（采用－30℃）、年平均气温+8.5℃、最大风速14m/s。根据本矿的最终用电负荷、线路长度、允许电压损失、经济电流密度等条件，35kV线路导线型号为LGJ-240mm2。
本地区属中雷地区，两回线路应全线架设避雷线。根据《110～500kV架空送电线路设计技术规范》（DL/T 5092-1999），LGJ-240采用GJ-50型避雷线与导线配合。避雷线一根用GJ-50，另一根采用OPGW光纤复合地线；导线及避雷线均安装防振锤。
8.地面供配电
根据本矿井地面供电的要求以及负荷性质与分布，工业场地采用10kV供电，高压配电系统采用放射式。低压配电系统采用TN-C-S系统，动照合一。配电系统以放射式为主，辅以树干式。地面供配电设备采用SG10系列电力变压器、KYN28-12型金属铠装移开式高压真空开关柜、GCK型低压抽出式开关柜及XL-52型低压动力配电箱等。场地内高低压电缆采用YJV22交联聚乙烯绝缘电力电缆，以电缆沟或直接埋地方式敷设。
根据负荷性质、场地布置，工业场地设以下变电所及配电控制室：
8.1主井提升机配电
主井装备两套提升设备，电控采用全数字矢量控制12脉动交-交变频驱动系统。高压配电系统采用单母线分三段的接线方式，三回10kV电源分别引自工业场地35/10kV变电所10kV不同母线段，两回工作，一回备用。进线采用 2×YJV22 – 8.7/10，3×185 mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
8.2副井提升机配电
副井装备两套提升设备，大罐笼提升设备电控采用ABB直接转矩控制（DTC）变频驱动系统；交通罐提升设备电控也采用ABB直接转矩控制（DTC）变频驱动系统。高压配电系统采用单母线分段运行方式，二回10kV电源分别引自工业场地35/10kV变电所10kV不同母线段。两回同时工作，互为备用。进线采用YJV22 –8.7/10，3×95 mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
8.3通风机配电
通风机为二台FBCDZ-10-NO32型对旋轴流通风机，在通风机旁设高压配电室，二回10kV电源引自工业场地35/10kV变电所不同母线段，一回工作、一回备用。
8.4空压机房10/0.4kV变电所
变电所附设在空压机房旁，除担负空压机房负荷外，还担负附近的日用消防水泵房、主副井空气加热室、主副井井口房、联合建筑等处的动力、照明用电。二回10kV电源引自工业场地35/10kV变电所不同母线段，两回电源同时工作、互为备用。两台变压器同时工作，负荷率为50.4%，一二级负荷保证率100%。
8.5综合库房10/0.4KV变电所
变电所设在综合库房内，主要担负矿井维修车间、汽车库、胶轮车保养车间、联合建筑、综合库房等处的动力、照明用电，还为井下采掘设备下井前在地面进行联合动作试验提供各种电压等级的试验电源。二回10kV电源引自工业场地35/10kV变电所不同母线段。两台变压器同时工作，负荷率为55.1%，一二级负荷保证率100%。
8.6锅炉房10/0.4kV变电所
变电所设在锅炉房旁二回10kV电源引自工业场地35/10kV变电所不同母线段，两回电源同时工作、互为备用。两台变压器同时工作，负荷率为53.4%，一二级负荷保证率100%。
8.7生活福利区10/0.4kV变电所
变电所设在生活福利区的负荷中心，主要担负附近的单身宿舍、食堂、文体中心等处的动力、照明用电。二回10kV电源引自工业场地35/10kV变电所不同母线段，两回电源同时工作、互为备用。两台变压器同时工作，负荷率为61.7%，一二级负荷保证率100%。
8.8建筑物防雷与接地保护
根据有关规范的要求，场地内的高大建（构）筑物均需按相应的类别作防雷保护，采用装设独立避雷针或在建（构）筑物上装设避雷带实现。在变电所的周围设接地网，10/0.4kV变压器中性点与接地系统相连。低压配电系统接地型式采用TN-C-S，每个建筑物做总等电位联结并设重复接地极。手持式移动设备和照明配电系统中的插座回路需装设带漏电保护的断路器。
9.井下供配电
根据本矿井下开拓布置及负荷分布情况,本矿井采用10kV下井供电。
9.1井下负荷及下井电缆
井下计算功率：有功功率15735.2kW、无功功率12603.7kvar。
根据矿井地面与井下开拓布置以及井下负荷计算，本矿确定从工业场地副立井下四回电源到井底车场中央变电所向井下供电。电源引自工业场地35/10kV变电所的10kV不同母线段。下井电缆均采用MYJV（42）22-8.7/103×300mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。四回电源同时工作，互为备用，当任一回电源因故停止供电时，另三回电源仍能保证所供全部设备正常运行。
9.2井下变电所和采掘工作面配电
中央变电所采用KGS1矿用一般型手车式高压真空开关柜34台、KBSG（400kVA）型矿用隔爆型干式变压器2台及KDC1矿用一般型低压配电柜8台。在东、西翼大巷带式输送机机头设一个机头变电所，二回电源引自中央变电所，进线电缆采用MYJV22-8.7/10 3×185mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆，两回电源同时工作，互为备用。
采掘工作面采用矿用隔爆型移动变电站供电。综采工作面中的采煤机、可弯曲刮板输送机（厚煤层）、可伸缩胶带输送机供电电压为3300V，其余设备供电电压均为1140V；连采机掘进工作面、连采机综掘工作面综掘机供电电压为3300V；激光定向仪、电钻供电电压为127V，其他设备供电电压为1140V或660V。
9.3检漏及接地
井下供电网络为中性点不接地系统。由地面变电所至中央变电所的电缆线路上装设零序电流互感器和选择性的单相接地保护装置；中央变电所高压馈电线上也装设有选择性的单相接地保护装置；中央变电所、采区变电所至移动变电站的馈电线路上装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置。井下低压馈电线路上均装设有选择性的检漏保护装置。由上述装置对井下电网的绝缘状况进行连续检测，当电缆线路发生故障时，可及时切断电源，以保证矿井安全生产。
在井底水泵房的主、副水仓中各设一块主接地极，各机电硐室、配电点处均设有局部接地极。所有电气设备的保护接地装置（包括电缆的铠装、接地芯线等）和局部接地极均同主接地极相连接，以形成总接地网，其接地电阻不得大于2Ω。每一移动式和手持式电气设备至局部接地极之间的保护接地用的电缆芯线和接地连接导线的电阻值，不得超过1Ω。
9.4局部通风机供电
由于局部通风机要求连续运转，为防止其他用电设备的故障而影响局部通风机的正常运行，井下掘进工作面的局部通风机采用“三专”方式供电，即直接从中央变电所采用专用开关、专用线路、专用变压器向局部通风机供电。
10结语
本文对塔然高勒矿井的供电系统设计及选型，综合各个因素，能够满足矿井各场所用电需求，根据不同用户类型分设变电所，并配备合适的保护，保障了矿井的用电安全。
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论文作者:陈雨,李晓华,康志鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
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