МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

А.Ю.Матвеев

В.В.Халимов, В.А.Зотов,

Проектирование электроснабжения подземных участков угольных шахт

Учебное пособие

Рекомендовано Министерством образования и науки Украины

Алчевск, 2003

Предисловие

Шахты, как угольные, так и горнорудные, являются предприятиями, отличающимися условиями эксплуатации машин и установок, а, следовательно, и разнообразием электрооборудования, так как имеют поверхностный и подземный комплексы.

Подземные выработки существенно отличаются специфическими условиями эксплуатации электрооборудования от мест эксплуатации на поверхности, в зданиях.

Горнотехнические и горно-технологические условия применения машин и механизмов, добычных и проходческих комплексов усложняются наличием в подземных выработках газа и пыли, повышенной температурой, стесненностью пространства, перемещением линии очистного и проходческого забоев, геологическими нарушениями. Поэтому правильный выбор схемы электроснабжения добычных и подготовительных участков, пусковой аппаратуры, кабелей является сложной инженерной задачей.

Нельзя не отметить, что в настоящее время имеются учебники и справочники, необходимые при изучении курсов: «Электропривод и электроснабжение горных машин», «Электроснабжение подземных разработок угольных шахт» и др.

Однако, созданные за последние 5-10 лет машины и установки, комплексы, а также электродвигатели и пусковая аппаратура недостаточно представительно описаны в учебниках и справочниках. К этому нужно добавить то, что в настоящее время нет ни учебника, ни учебного пособия, в котором были бы сосредоточены данные, необходимые для выбора типовых схем электроснабжения в зависимости от технологических сем очистных работ, номограммы для определения токов короткого замыкания в сетях, питающихся от трансформаторных подстанций нового ряда номинальных мощностей на напряжение 660 и 1140 В, отсутствуют величины внутренних сопротивлений пускателей, машинных станций.

Если учесть и то, что уровень комплексной механизации значительно возрос, изменились подходы к обеспечению безопасности при эксплуатации электрических сетей в подземных выработках, становится очевидным необходимость в создании учебного пособия по проектированию подземных низковольтных электрических сетей.

Учебное пособие содержит сведения о типовых схемах электроснабжения добычных и подготовительных участков для шахт, разрабатывающих пологие и крутые пласты, методику расчета электроснабжения, характеристики электрооборудования и кабелей, и предназначено, в первую очередь, для студентов электромеханических специальностей горных вузов и факультетов, а также для работников электромеханических служб шахт и проектных организаций.

Решение задачи проектирования СЭС участка шахты предполагает использование математических методов в сочетании с современными средствами вычислительной техники, т.е. предусматривается применение системы автоматизированного проектирования (САПР). ЭВМ позволяет при прочих равных условиях выполнить большой объем рутинной работы, связанной с расчетом большого количества вариантов, подлежащих последующему анализу, выполнению логических операций.

1 Схемы электроснабжения шахт

1. Типовые схемы электроснабжения шахт

Шахты и другие предприятия, обслуживающие горные предприятия, получают электрическую энергию от районных электрических сетей (РЭС), которые в свою очередь являются составными частями энергетических систем.

Энергетическая система – это совокупность электростанций, связанных между собой линиями электропередач, работающих на общие шины, общую нагрузку. Называются энергосистемы по географическому месторасположению электростанций: «Донбассэнерго», «Днепроэнерго», «Харьковэнерго» и др.

Внешнее электроснабжение шахт выполняется, как правило, по системе глубокого ввода, при которой источники высокого напряжения (35-110 кВ) максимально приближены непосредственно к предприятию и его наиболее крупным потребителям (например, вентиляторам главного проветривания). Понизительные подстанции располагаются на промышленной площадке шахты, и трансформация напряжения производится минимальным количеством ступеней электроснабжения. Схема электроснабжения строится таким образом, чтобы все ее элементы постоянно находились под нагрузкой. При этом «холодный» резерв линий и трансформаторов не рекомендуется. При таком режиме работы уменьшаются потери энергии и повышается надежность работы. При построении схемы электроснабжения рассчитывают на раздельную работу линий и трансформаторов, так как при этом снижаются токи КЗ, упрощаются схемы первичной коммутации подстанций и релейная защита на вводах.

Для электроснабжения горных предприятий необходимо применять не менее двух раздельно работающих ВЛ, присоединенных к независимым источникам питания. При выходе из строя одной ВЛ вторая должна обеспечить нормальную работу всех электроприемников шахты.

Сведения о количестве источников питания электроприемников шахты и времени ввода резервного питания приведены в таблице 1.1 в соответствии с требованиями ПУЭ по бесперебойности электроснабжения.

Таблица 1.1 Категории электроприемников (ПУЭ)

Последствия нарушения электроснабжения электроприемников	Количество источников питания	Время ввода резервного питания	Пример электроприемников
Электроприемники I-ой категории
- опасность для жизни людей; - значительный ущерб народному хозяйству; - повреждение оборудования; - массовый брак продукции; - расстройство сложного технологического процесса; - нарушение особоважных элементов народного хозяйства.	2	Время АВР	- клетевой, грузолюдской и людской подъемы; - вентилятор главного проветривания; - противопожарные насосы; - устройства дегазации угольных пластов; - главный водоотлив ЦПП; - и т.п.
Электроприемники II-ой категории
- массовый недоотпуск продукции; - простой рабочих, механизмов и промышленного транспорта; - нарушение нормальной деятельности значительного количества городских жителей.	2	Включение дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой	- скиповые и конвейерные угольные подъемы; - компрессоры; - технологические комплексы; - электровозная откатка; - очистные работы; - и т.п.
Электроприемники III-ей категории
- без существенного ущерба для потребителей.	1	Ремонт или замена вышедшего из строя оборудования	- скиповой и конвейерный породные подъемы; - механические мастерские; - лесной склад; - административно-бытовой комплекс; - освещение пром-площадки и зданий; - подготовительные работы; - и.т.п.

Для повышения надежности систем электроснабжения следует широко применять системную автоматику АВР (автоматического включения резерва), АПВ (автоматического повторного включения) и др.

Электроснабжение поверхностных и подземных токоприемников должно быть обособленным. Гальваническая развязка сетей на поверхности и подземных сетей может быть обеспечена специальными шахтными разделительными трансформаторами 6/6,3 кВ (Т3 и Т4 на рис.1.2) при двухобмоточных силовых трансформаторах ГПП или модифицированными шахтными трехобмоточными трансформаторами ГПП или трансформаторами с расщепленной обмоткой низшего напряжения (Т1 и Т2 на рис.1.1).

Схемами глубокого ввода 35-110 кВ радиальными линиями без выключателей на стороне высшего напряжения ГПП (рис. 1.1 и 1.2) предусматривается трансформация в месте перехода от системы внешнего электроснабжения к системе внутреннего электроснабжения. Схема без выключателей на стороне высшего напряжения рекомендуется как более экономичная в исполнении и надежная в эксплуатации.

Для секционирования сборных шин на ГПП (Ic и IIc) применяется выключатели (Q5 и Q8) позволяющие автоматически восстанавливать питание всех потребителей в случае исчезновения напряжения на одной из линий.

Все высоковольтные электрические сети и низковольтные сети питания подземных токоприемников выполнены с изолированной нейтралью обмоток силового трансформатора. Только низковольтные (380/220 В) электрические сети собственных нужд токоприемников поверхности запитаны от трансформаторов 6/0,4 кВ с глухо заземленной нейтралью вторичных обмоток трансформаторов (Т6 и Т7 на рис. 1.1 и 1.2)

W₂

W₁

QS

QS

QR

QR

QSG

L₁

L₂

QSG

FU

FU

Т2

К1

Q5

Q4

Q6

Q8

Q7

Q8

Q10

Q9

Q12

W₃

W₄

W₆

W₅

W₈

W₉

Q3

К2

К3

К4

ГПП2

ГПП1

Рисунок 1.1 Схема электрическая системы электроснабжения шахты с трехобмоточным трансформатором ГПП

L₃

L₄

I c

II c

I c

II c

L₅

L₆

L₇

L₈

L₉

ПУПП

Т5

Т6

Т7

QF1

QF2

QF3

6,3кВ

6кВ

0,4кВ

ЦПП

I c

II c

Н/В токоприемники

Токоприемники поверхности

Т1

W₇

ГПП – главная понизительная подстанция; ЦПП – центральная подземная подстанция; Т3, Т4 – разделительные трансформаторы; ПУПП – подземная участковая передвижная подстанция; Т6, Т7 – трансформаторы собственных нужд токоприемников поверхности; W₁, W₂ – воздушная ЛЭП длиной L₁, L₂; QS – разъединители; QR – отделители; QSG – короткозамыкатели; FU – разрядники; Т1,Т2 – силовые трансформаторы ГПП; Q – высоковольтные выключатели (ячейки); Ic, IIc – секции сборных шин; Q5, Q6 – секционные выключатели.

Выбор напряжения питающих линий зависит от следующих факторов:

- расстояния до ближайшей линии районной электрической сети, районной подстанции;

- напряжения, мощности и загрузки трансформаторов районной подстанции;

- возможности расширения распределительных устройств районной подстанции;

- общей электрической нагрузки шахты;

- напряжений, выбранных для основных групп шахтных потребителей и для распределения в пределах шахты;

- соотношения нагрузок шахты на напряжение до 1000 В и выше;

- наличия субабонентов, связанных территориально с шахтой;

- состояния нагрузок токоприемников поверхности и подземных выработок;

- расстояния от главной понизительной подстанции на поверхности шахты (ГПП) до центральной подземной подстанции (ЦПП);

- протяженности подземных высоковольтных сетей.

Для предварительного решения задачи выбора нестандартного напряжения может быть использована эмпирическая формула

,

где Р – передаваемая мощность, МВт; l – расстояние, км.

При выборе стандартного напряжения предпочтение должно быть отдано более высокому напряжению, имеющемуся в наличии на шинах районной подстанции.

Электроснабжение действующих шахт часто не удовлетворяет современным требованиям, поэтому часто возникает вопрос о реконструкции внешнего электроснабжения шахт в связи с их развитием.