摘 要：从多方面论证了井下超高压供电的可行性，并对矿井实际供电的应用情况进行了分析，对6 kV、10 kV 2种供电系统的优缺点进行了对比，对大型矿井特别是超大型矿井供电提出了自己的观点，对现代化大型矿井供电配置具有指导意义。
关键词：矿井；供电；超高压
中图号：TD611 文献标识码：B
1 、10 kV供电系统的推广应用是煤矿发展的需要
随着煤矿高产高效技术的发展，大量重型采掘设备、大功率提升设备被广泛采用，矿井特别是井下电气负荷急剧增加。例如：2005年将要投产的淄博矿业集团唐口煤矿一个采煤面的设备装机容量为4 800 kW，一个采区的设备负荷为17 500 kW。此外，唐口矿井井深1029 m，井下主供电电缆长度为1 600 m，供电距离长，若仍采用以往已应用成熟的6 kV供电系统就不得不通过增加井下电缆数量、加大电缆截面以增加电力输送能力。这将增加设备投资，井下供电系统变得复杂，同时大截面、大长度的电缆制造、运输以及在井筒中的敷设都无法实现。为了提高供电电压和采取新的技术方案。在煤矿上采用10 kV供电系统，将10 kV电源直接送到井下，是解决这一问题的关键。经过多年来的技术创新改造，目前的10 kV井下开关设备、电动机、变压器、电缆等电气设备的各项指标已能够满足井下10 kV供电的要求。《煤矿安全规程》2001年版将相应条文修改为“井下各级配电电压和各种电气设备的额定电压等级，高压不超过10 kV”，这为煤矿井下使用10 kV供电提供了依据，井下10 kV供电设备的成熟应用也为10 kV供电系统的应用创造了条件。
2、矿井10 kV和6 kV供电系统的比较
矿井采用10 kV供电，较原6 kV供电提高了供电电压，增加了电网的输送能力，减少了线路损耗，保证了供电质量。
电网的输电能力
PZ = △U ％×U 2×cosψ/100 ⑴
式中 P——通过线路的输送功率，kW；
Z——线路阻抗，Ω；
△U ％——线路电压损失；
U——供电电压。
从式⑴可看到，在输电质量△U ％和功率因数cosψ不变的情况下，输电能力PZ与电压U的平方成正比。采用10 kV较6 kV供电电压提高1.67倍，输电能力提高2.78倍。对于特大型现代化矿井，如何提高电网送电能力，保证电源质量已成为矿井供电的关键。而采用10 kV供电是解决这一问题最优方案。
为提高电网送电能力，国外在20世纪70年代末开始了煤矿10 kV下井的尝试。例如德国煤矿原先井下供电一直采用5 kV或6 kV系统，后因井下负荷成倍增长，供电质量下降，影响到矿井的生产和安全，后开始探索井下10 kV供电，现已对所有生产矿井的供电系统进行10 kV改造，并取得了非常成功运行经验。从20世纪80年代至今，我国在矿井10 kV供电研究和实践方面也取得重大成功，一批大型矿井已在设计中采用10 kV供电系统，投产后的矿井取得了巨大的经济效益。
采用10 kV供电系统直接下井，相比6 kV下井可取得以下经济效益：
⑴减少下井电缆的数量或减小下井电缆截面；
⑵减少高压电网电力损耗；
⑶简化井下高压供电系统。
例如：淄博矿业集团唐口煤矿，年生产能力3 Mt，矿井设备总容量为35 552 kW，其中井下设备容量为26 518 kW，负荷18 011 kW。矿井采用10 kV供电，选用12条MYJV428.7/10 kV、1×185 mm2型电力电缆由地面10 kV变电所敷设至井下中央变电所，敷设长度1 600 m。由地面变电所至采煤工作面电压损失仅为0.826％。而采用6 kV供电，采用同等截面的电缆，电压损失达2.23％，至矿井生产后期，此下井电缆已不能满足供电要求。经测算，唐口煤矿采用10 kV供电较6 kV供电可节省设备、材料投资120万元，每年节省电费近6万元。由此可见，在大型或特大型矿井中，由于矿井特别是井下电气设备容量的急剧增加，如仍采用6 kV供电，电源质量无法得到保证，电能损失巨大；采用10 kV供电，大大提高了送电能力，减少了电压降，节省了电能，提高了供电可靠性，同时还可以节省大量电缆及开关设备，经济效益十分显著。
矿井采用10 kV供电系统的另外一个优势是可省去10/6 kV变电环节，减少设备投资。
对于一些中小型煤矿，用电负荷不大，不需要35 kV电压供电。但由于电源引自10 kV供电公用网，无法直接取得6 kV电源，而矿井高压电机用电电压为6 kV，这就需要在矿井内修建10/6 kV变电所。若矿井采用10 kV供电，电源可取自公用网，矿井高压电机采用10 kV电机，从而省去10/6 kV变电环节。总之，采用10 kV供电可取得下述经济效益：
⑴除可省去10/6 kV变压器、6 kV开关柜、相应的继电器保护柜外，还可以节省配电室建筑面积和室外主变压器占用的土地等。
⑵减少主变压器多余容量的初装增容费。
⑶减少年运行费，其中包括主变压器的损耗、多余容量的基本电缆、固定资产折旧和设备大修费。
⑷省去10/6 kV变电环节，简化供电系统，减少电网事故，提高运行可靠程度。
例如微山泗河煤矿，矿井计算有功功率为2 318 kW，矿井附近只有1座县属35/10 kV变电所，周围没有6 kV电源。经过经济技术比较，设计确定矿井采用10 kV供电。采用10 kV供电与6 kV供电相比，减少2台10/6 kV变压器、与其配套的6台6 kV开关柜及相应的二次控制、保护设备，可节省设备投资56万元，减少基本电价80万元及设备安装费4万元，减少变电所建筑面积200 m2。另外，由于省去了10/6 kV变电环节，变压器年节电近159 MW•h。如果考虑10 kV设备与6 kV电气设备的价格差异，泗河煤矿初期投资仍可减少103.5万元，并且运行费用也比采用10/6 kV供电系统低得多。在这种情况下，采用10 kV直接供电经济效益显著，技术合理。
由上述2例情况可以看到，10 kV供电系统较6 kV供电系统有很多方面的优势。
3、目前矿井10 kV供电系统存在的问题
在现今条件下，推广矿井10 kV供电系统还会遇到一些问题：
⑴10 kV电气设备种类少，价格较高。目前生产矿井10 kV配套产品的厂家不多，生产的电气设备和数量也比较少，产品尚未形成系列，部分设备选型困难，这对保证产品的质量，选择质优价廉的产品来说存在一定难度。另外，由于系统运行电压提高，对电气设备的绝缘、耐压、隔爆、加工工艺的要求更加严格，导致生产材料和生产成本增高。因此，10 kV设备的价格普遍比6 kV设备高。据厂家提供的资料，同等容量的产品价格相比较，10 kV电动机比6 kV电动机高30％ ~ 40％，10 kV变压器及移动变压站比6 kV变压器高10％，10 kV防爆电气设备比6 kV同类型设备高10％，10 kV电缆比6 kV电缆高6％ ~ 7％。
⑵矿井采用10 kV供电系统对现场安装、维护提出了更高的要求。由于电压升高，对部分10 kV设备的连接、安装、维护提出了更高的要求。如井下电缆与井下其他隔爆电气设备的连接、井下各段电缆的连接等。
⑶现场对矿井10 kV供电系统的运行经验不如6 kV供电系统成熟。
⑷各种10 kV设备及其备品、备件需全部重新购置。以往，煤矿大都采用6 kV高压供电，各种电气设备及其备品、备件较多，它们可在不同矿井之间调剂，部分老设备还可重新利用，节约了基建和生产投资。但若采用10 kV系统，所有设备及其备品、备件需全部重新购置，需增加投资费用。
4、矿井10 kV供电系统的适用条件
⑴应根据矿井的总负荷选择矿井供电电源的电压。在一般情况下，6 kV线路的合理输送功率为100 ~ 2 000 kW，输送距离为10 ~ 3 km；10 kV线路的合理输送功率为200 ~3 000 kW，输送距离为15 ~ 5 km。因此，对于一些小型矿井，若矿井的总负荷及供电距离在10 kV线路的合理供电范围内，且周围无法直接取得6 kV电源。经过经济技术比较后，应考虑取消10/6 kV变电环节，采用10 kV供电。
⑵应根据矿井的井下负荷选择矿井配电电压。对于一些大型、特大型矿井，井下负荷大，供电距离长，尤其到矿井生产的中、后期，6 kV供电已不能满足要求。为增加电网的输送能力，减少电能损耗，保证供电质量，应优先考虑采用10 kV供电。
⑶一些总负荷在4 000 ~ 10 000 kW之间的中型矿井，井下负荷不太大，矿井供电电源常采用35 kV。对于上述类型的矿井，配电系统究竟采用10 kV还是6 kV，曾进行过较为深入的研究。通过对多个类似矿井采用这2种配电电压后的经济技术比较，认为目前6 kV设备种类多，价格较低，安装维护方便，电源采用6 kV已能够很好地满足此类矿井的供电要求。而若采用10 kV供电，一方面在此类矿井不存在10/6 kV变电环节，且井下电力负荷不大，不需要再通过提高电压增加电网的输送能力，故不能发挥10 kV供电的优势；另一方面，目前10 kV设备价格比相应6 kV设备价格高，且10 kV设备在安装、运行、维护方面比6 kV设备困难，故宜采用6 kV作为煤矿的配电电压。
5、结语
总之，随着科学技术的发展，10 kV设备的配套普及以及设备生产成本的降低，10 kV下井技术将是今后煤矿供电的一个发展方向。但在目前10 kV配套设备比较少、价格比较高的情况下，在采用哪种电压之前，应先作认真的负荷统计及经济技术比较。本着实事求是的原则，针对不同情况做出不同选择，切不可一概而论。只有这样，才能在设计时做到技术上可靠，经济上合理。
来源:煤矿机械 |
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