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[摘 要]矿井供电系统作为煤炭生产的主要动力源，其系统设计的优劣将直接影响煤矿生产的安全稳定运行和煤炭生产成本。本文在对煤矿井下采区供电系统的设计进行简要阐述后，对煤矿采区供电系统中主要存在问题进行总结。并结合作者实际工作经验，对井下采区供电系统设计技术要点进行了详细分析研究。
[关键词]煤矿；采区供电；设计
中图分类号：TP43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0119-01
一、前言
随着煤炭开采技术的快速发展，煤炭产能大大提高，煤矿作业中诸如大功率电机等大型电气设备在不断应用和增加，井下供电系统承担的负荷也越来越多，这就对整个井下供电系统提出了更高的供电质量要求。为提高井下供电系统的安全性和可靠性，在提高井下技术人员维护及运行水平的同时，设计出一套系统完善、经济可靠的技术方案，对提高井下供电质量、可靠性及安全性，就对工程应用具有较高的实践意义。
二、井下供电系统设计总体原则
（1）必须认真贯彻国家有关安全生产的各项方针政策和法规，严格遵守有关现行的设计技术规程、规范及规定。
（2）应从整体出发，对提出的设计方案进行必要的计算，并要求施工图纸齐全。深入论证电源、负荷及线路布局的合理性，并要从定量和定性两方面来论证其安全可靠性和经济稳定性。
（3）在保证供电安全及可靠的前提下，力求所用的开关、启动器和电缆等设备最少。
三、简述采区供电系统设计步骤
为了设计出技术上可行、经济上优越的井下采区供电系统方案，可以参照以下步骤进行采区供电系统设计。第一，在做设计前，要对整个采区用电负荷所有情况进行全面系统的了解和总结归纳，制作出采区用电设备的平面布置图和负荷统计表。第二，依照采区工作面用电设备的平面分布情况及相互间用电关系（包括容量、电压等级、保护等级等）进行科学的分类分组，并根据采区用电设备分组情况设立负荷集中供配电点，当采区作业面上存在功率大、供电距离远、以及保护等级高的用电负荷时，要采用采用井下防爆式移动变电站或双干线电缆进行独立供电对这些特殊大功率负荷进行独立供电。第三，若采区工作面上存在经常移动或者运行过程中会由于电缆悬挂形成弯曲的用电设备时，应采用带铠装保护电缆其设计长度必须满足用电设备最大供电距离要求；如采用橡套电缆时则其设计长度应比用电设备最大供电距离增加约10%，以避免橡套电缆在受温度影响出现收缩时满足不了用电设备的用电需求。第四，对于产量较大的煤矿井下工作面进行供电设计时，应采用双回路高压电源进线及两台或两台以上的移动变电站进行供电设计，并要在移动变电站高、低压侧分别设计联络开关，从而提高井下采区供电系统供电的可靠性，确保工作面生产用电正常供应。
四、井下采区供电中主要存在问题分析
首先，井下供电系统中电压波动较为严重，大型设备启动与工作面供电可靠性间存在明显矛盾问题。另外，随着大量以电力电子为核心的非线性电力负荷的采煤机械设备在井下供电系统中的应用，其运行过程中产生的大量谐波分量，将直接影响到整个井下采区供电系统的供电质量和供电可靠性。再次，井下供电系统原有的设计规划中，可能由于没有充分考虑煤矿井下生产量的扩大问题，其所选的配电变压器容量无法满足不断增加的电机拖动系统所需启动容量，造成电机拖动系统不能正常启动，或启动时间过长，不仅会影响整个供电系统的供电可靠性，同时还会增加电机启动冲击破坏的危害。
五、采区供电设计技术原则及措施
（1）尽量选择较高井下供电系统电压
为了确保井下采区电气设备能够正常稳定高效运行，依照电业规程规定要求，动力线路在正常情况下的电压波动不允许超过±5%，这就要求在进行井下供电电缆线路设计时，660V供电系统其正常允许最大电压损失约为33V，而380V供电系统电压允许损失为19V。为了解决电压损失与供电可靠性间的矛盾，确保井下采区供电系统具有较高的供电质量和供电可靠性，其电缆截面设计选型时往往偏大，但这又会增加供电系统投资成本。若在设计过程中，采用660V甚至KV级电压进行井下供电系统设计时，不仅可以提高供电系统可靠性和供电电能质量水平，同时还可降低供电电流，减少供电线路的能量损失。例如将井下供电系统供电电压由380V提高到660V后，其电压损失值约占总值的9.56%，而在380V供电系统中其电压损失值则占总值的10.36%，因此提高供电电压等级后，供电线路的电压损失将有效降低，供电质量也得到有效提高，同时供电线路的电能传输效率也得到很大提升。
（2）利用需用系数求供配电变压器容量
应将变压器所供的井下所有用电负荷的额定功率全部累加起来求出∑Pe后，再对∑Pe乘上一个需用系数Kx，这样就可以合理计算出供配电变压器的有效功率，即∑Pe.Kx，再除以井下供电系统的功率因素值，就可以得出供配电变压器的容量。利用需用系数求出的供配电变压器容量可以有效提高整个井下采区供电系统供电的经济性，避免盲目采用额定功率总和进行供配电变压器容量的选择，造成供配电变压器长期在低效工况区运行，造成大量的电能损耗。在实际井下采区供电系统设计中，供配电变压器的需用系数取值在0.37～0.62范围是比较切合实际供电需求的取值范围。
（3）电机拖动系统控制方案的设计
对于功率相对较小且在启动和运行过程中对供电系统冲击不大的机电设备，应采取直接启动方式，不仅可以确保供电可靠性，同时可以简化电机控制系统，便于日常检修维护。如工作面前部的输送机功率大多在几百千瓦时，就可以采取带延时的直接启动方式，其在启动过程中无需特殊控制保护装置，同时具有操作简单经济实用的优点。在煤矿井下采区供电系统中大多数功率不大的异步电动机通常采用该种延时直接启动的方式。而对于功率较大能够空载启动且对启动转矩没有特殊要求的电动机，则可以采用降压启动方式（包括软启动器、变频调速等）。对于功率大、负荷集中、且必须重载启动的电机拖动装置，则应采取提高电压等级（如3.3KV供电线路进行直接启动）或变频调速进行供电系统设计。如井下采区作业面后部的刮板输送机，就应采用3.3KV高电压进行直接供电启动。
（4）电缆型号及截面的设计
在煤矿井下供电系统设计时，其电缆型号及截面的选型设计通常包括按电压损失进行选型设计、按照长期运行电流进行选型设计、按照短路热稳定条件进行选型设计、按经济电流密度进行选型设计、以及按照机械强度进行选型设计等多种设计方法。而煤矿井下用电设备的供电电缆大多为动力电缆，其在进行选型设计时，推荐采用按照允许电压损失来进行电缆型号和截面的选型设计，然后再按照长期运行电流和电机启动条件要求进行计算，从而确保供电电缆正常稳定、节能经济的供电运行。
六、结语
综上所述，在进行煤矿井下供电系统设计过程中，需要依照采区作业面实际用电情况及用电设备分布，综合考虑需用系数、供配电变压器容量、供电电压等级、电缆经济截面、以及电动机启动方式等诸多因素，选择科学合理、系统完善、节能经济的设计原则，从而保证井下煤炭生产过程安全可靠、节能经济、高效稳定的进行。
参考文献
[1] 刘兵.矿山供電[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.
[2] 李晓阳.煤矿井下供电系统研究[J].中国高新技术企业，2010（4）：111-112.
[关键词]煤矿；采区供电；设计
中图分类号：TP43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0119-01
一、前言
随着煤炭开采技术的快速发展，煤炭产能大大提高，煤矿作业中诸如大功率电机等大型电气设备在不断应用和增加，井下供电系统承担的负荷也越来越多，这就对整个井下供电系统提出了更高的供电质量要求。为提高井下供电系统的安全性和可靠性，在提高井下技术人员维护及运行水平的同时，设计出一套系统完善、经济可靠的技术方案，对提高井下供电质量、可靠性及安全性，就对工程应用具有较高的实践意义。
二、井下供电系统设计总体原则
（1）必须认真贯彻国家有关安全生产的各项方针政策和法规，严格遵守有关现行的设计技术规程、规范及规定。
（2）应从整体出发，对提出的设计方案进行必要的计算，并要求施工图纸齐全。深入论证电源、负荷及线路布局的合理性，并要从定量和定性两方面来论证其安全可靠性和经济稳定性。
（3）在保证供电安全及可靠的前提下，力求所用的开关、启动器和电缆等设备最少。
三、简述采区供电系统设计步骤
为了设计出技术上可行、经济上优越的井下采区供电系统方案，可以参照以下步骤进行采区供电系统设计。第一，在做设计前，要对整个采区用电负荷所有情况进行全面系统的了解和总结归纳，制作出采区用电设备的平面布置图和负荷统计表。第二，依照采区工作面用电设备的平面分布情况及相互间用电关系（包括容量、电压等级、保护等级等）进行科学的分类分组，并根据采区用电设备分组情况设立负荷集中供配电点，当采区作业面上存在功率大、供电距离远、以及保护等级高的用电负荷时，要采用采用井下防爆式移动变电站或双干线电缆进行独立供电对这些特殊大功率负荷进行独立供电。第三，若采区工作面上存在经常移动或者运行过程中会由于电缆悬挂形成弯曲的用电设备时，应采用带铠装保护电缆其设计长度必须满足用电设备最大供电距离要求；如采用橡套电缆时则其设计长度应比用电设备最大供电距离增加约10%，以避免橡套电缆在受温度影响出现收缩时满足不了用电设备的用电需求。第四，对于产量较大的煤矿井下工作面进行供电设计时，应采用双回路高压电源进线及两台或两台以上的移动变电站进行供电设计，并要在移动变电站高、低压侧分别设计联络开关，从而提高井下采区供电系统供电的可靠性，确保工作面生产用电正常供应。
四、井下采区供电中主要存在问题分析
首先，井下供电系统中电压波动较为严重，大型设备启动与工作面供电可靠性间存在明显矛盾问题。另外，随着大量以电力电子为核心的非线性电力负荷的采煤机械设备在井下供电系统中的应用，其运行过程中产生的大量谐波分量，将直接影响到整个井下采区供电系统的供电质量和供电可靠性。再次，井下供电系统原有的设计规划中，可能由于没有充分考虑煤矿井下生产量的扩大问题，其所选的配电变压器容量无法满足不断增加的电机拖动系统所需启动容量，造成电机拖动系统不能正常启动，或启动时间过长，不仅会影响整个供电系统的供电可靠性，同时还会增加电机启动冲击破坏的危害。
五、采区供电设计技术原则及措施
（1）尽量选择较高井下供电系统电压
为了确保井下采区电气设备能够正常稳定高效运行，依照电业规程规定要求，动力线路在正常情况下的电压波动不允许超过±5%，这就要求在进行井下供电电缆线路设计时，660V供电系统其正常允许最大电压损失约为33V，而380V供电系统电压允许损失为19V。为了解决电压损失与供电可靠性间的矛盾，确保井下采区供电系统具有较高的供电质量和供电可靠性，其电缆截面设计选型时往往偏大，但这又会增加供电系统投资成本。若在设计过程中，采用660V甚至KV级电压进行井下供电系统设计时，不仅可以提高供电系统可靠性和供电电能质量水平，同时还可降低供电电流，减少供电线路的能量损失。例如将井下供电系统供电电压由380V提高到660V后，其电压损失值约占总值的9.56%，而在380V供电系统中其电压损失值则占总值的10.36%，因此提高供电电压等级后，供电线路的电压损失将有效降低，供电质量也得到有效提高，同时供电线路的电能传输效率也得到很大提升。
（2）利用需用系数求供配电变压器容量
应将变压器所供的井下所有用电负荷的额定功率全部累加起来求出∑Pe后，再对∑Pe乘上一个需用系数Kx，这样就可以合理计算出供配电变压器的有效功率，即∑Pe.Kx，再除以井下供电系统的功率因素值，就可以得出供配电变压器的容量。利用需用系数求出的供配电变压器容量可以有效提高整个井下采区供电系统供电的经济性，避免盲目采用额定功率总和进行供配电变压器容量的选择，造成供配电变压器长期在低效工况区运行，造成大量的电能损耗。在实际井下采区供电系统设计中，供配电变压器的需用系数取值在0.37～0.62范围是比较切合实际供电需求的取值范围。
（3）电机拖动系统控制方案的设计
对于功率相对较小且在启动和运行过程中对供电系统冲击不大的机电设备，应采取直接启动方式，不仅可以确保供电可靠性，同时可以简化电机控制系统，便于日常检修维护。如工作面前部的输送机功率大多在几百千瓦时，就可以采取带延时的直接启动方式，其在启动过程中无需特殊控制保护装置，同时具有操作简单经济实用的优点。在煤矿井下采区供电系统中大多数功率不大的异步电动机通常采用该种延时直接启动的方式。而对于功率较大能够空载启动且对启动转矩没有特殊要求的电动机，则可以采用降压启动方式（包括软启动器、变频调速等）。对于功率大、负荷集中、且必须重载启动的电机拖动装置，则应采取提高电压等级（如3.3KV供电线路进行直接启动）或变频调速进行供电系统设计。如井下采区作业面后部的刮板输送机，就应采用3.3KV高电压进行直接供电启动。
（4）电缆型号及截面的设计
在煤矿井下供电系统设计时，其电缆型号及截面的选型设计通常包括按电压损失进行选型设计、按照长期运行电流进行选型设计、按照短路热稳定条件进行选型设计、按经济电流密度进行选型设计、以及按照机械强度进行选型设计等多种设计方法。而煤矿井下用电设备的供电电缆大多为动力电缆，其在进行选型设计时，推荐采用按照允许电压损失来进行电缆型号和截面的选型设计，然后再按照长期运行电流和电机启动条件要求进行计算，从而确保供电电缆正常稳定、节能经济的供电运行。
六、结语
综上所述，在进行煤矿井下供电系统设计过程中，需要依照采区作业面实际用电情况及用电设备分布，综合考虑需用系数、供配电变压器容量、供电电压等级、电缆经济截面、以及电动机启动方式等诸多因素，选择科学合理、系统完善、节能经济的设计原则，从而保证井下煤炭生产过程安全可靠、节能经济、高效稳定的进行。
参考文献
[1] 刘兵.矿山供電[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.
[2] 李晓阳.煤矿井下供电系统研究[J].中国高新技术企业，2010（4）：111-112.