8.4.6. Електропостачання бурильних верстатів на кар’єрах

Для буріння вибухових свердловин на відкритих гірничих розробках застосовують бурові верстати різних типів: обертального, ударно – обертального і вогневого буріння. Усі механізми верстатів мають електричний привод.

Механізми бурового верстата підрозділяють на основні і допоміжні. Основні робочі механізми бурового верстата — механізми обертання і подачі на вибій робочого органа – колони штанг із робочим інструментом (ріжучою коронкою, шарошечним долотом, заглибним пневмоударником і ін.). Режим роботи і навантажувальні діаграми механізму обертання робочого органа бурових верстатів залежать від конструктивних особливостей і характеру роботи механізму подачі. До допоміжних механізмів бурових верстатів відносять компресори, насоси і вентилятори, а також механізми ходу, нарощування і розбирання бурового ставу і ін. Як правило, бурові верстати мають багатодвигунний електропривод. Кількість двигунів залежить від конструкції ставів: від 2 у шнекових до 14 у шарошечних і вогневих. Установлена потужність двигунів бурових верстатів знаходиться в межах: 25 - 165 кВт – шнекових, 320 - 850 кВт – шарошечних, 3 - 180 кВт – ударно-обертальних, 111 - 364 кВт – вогневих і термомеханічних, до 40 кВт – канатно-ударних.

На верстатах обертального буріння, у яких буровий став подається на довжину штанги без перехватів, режим роботи електродвигуна приводу обертача бурового верстату тривалий з змінним по значенню навантаженням. На верстатах шарошечного і ударно – обертального буріння, у яких буровий став подається з частими перехопленнями, режим роботи електродвигуна механізму обертання повторно – короткочасний із тривалістю включення ПВ-60 %. Навантаження нерівномірне з піками моменту, що досягають 2 - 2,5-кратного значення номінального. На верстатах вогневого буріння електродвигуни обертача і лебідки подачі бурового ставу на вибій працюють у тривалому режимі з постійним навантаженням.

Електродвигуни допоміжних механізмів верстатів працюють або в тривалому режимі з постійним навантаженням (електродвигуни компресорів, насосів, вентиляторів), або в короткочасному режимі з постійним чи змінним навантаженням (електродвигуни механізму ходу, нарощування і розбирання бурового ставу й ін.).

Електропривод обертача працює як на постійному, так і на змінному струмі. Застосовується в основному електропривод двох типів: асинхронний нерегульований (частота обертання регулюється ступінчасто за допомогою редуктора або переключенням числа пара полюсів двох - і триступінчастого електродвигуна) і регульований постійного струму по системі Г-Д і ТП-Д зміною напруги на затисках якоря і додатково редуктора. Однак застосування тиристорних перетворювачів збільшує рівень завад у кар'єрних електричних мережах. Тому важливою задачею удосконалювання привода обертача є створення завадостійких схем перетворювачів. Розглядаються можливості використання для обертача частотно-регульованого привода змінного струму, а також асинхронних двигунів з підвищеним ковзанням. Двигуни допоміжних механізмів працюють на змінному струмі, і для них застосовується тільки асинхронний нерегульований електропривод.

До основного електроустаткування бурового верстата відносяться електродвигуни всіх механізмів верстата й апаратура їхнього керування, до допоміжного – електричні пристрої вузлів верстата, що не беруть участі безпосередньо в процесі утворення свердловини (вентиляція й опалення кабіни грубками і електрокалориферами, підігрів води й індукційне нагрівання труб для запобігання їхнього промерзання в зимовий час, освітлення і т.п.).

Застосовуване на бурових верстатах електроустаткування має закрите виконання, захищене від потрапляння усередину пилу і вологи. Для приводу змінного струму обертача і допоміжних механізмів бурового верстата використовують в основному асинхронні електродвигуни з короткозамкнутим ротором серій АО, ВАО, АОС, АОЛ, АЗ, КОФ, МТКВ, МТКМ і ін. Для привода обертача постійного струму застосовують кранові електродвигуни типу ДПВ. Для привода ходового механізму, лебідки підйому обертача і допоміжних механізмів використовують горизонтальні, а для привода обертача – в більшості випадків вертикальні електродвигуни.

Як апаратуру керування на верстатах застосовують магнітні пускачі загально промислового (П, ПА, ПМЕ) чи рудникового (ПМВ, ПМВР) виконання з двох - і трьох кнопковими постами. У відповідності з вимогами правил безпеки і технологічних вимог електроустаткування має захист і блокування для контролю справності окремих елементів устаткування і запобігання порушень нормального режиму роботи механізмів верстата.

Електричні схеми шнекових, канатно-ударних і ударно-обертальних верстатів практично ідентичні, а схеми керування двигунами типові контакторні. Захист двигунів від тривалих перевантажень здійснюється тепловим реле, вбудованим у кожен пускач, а від струмів к. з. — плавкими запобіжниками. Релейно – контакторна апаратура (кнопки, перемикачі) змонтована на силовому щиті, панелях і пульті керування. Ланцюги керування змінного струму напругою 220 В одержують живлення від трансформаторів 380/220 В, а постійного струму напругою 110 В – від випрямника.

Рис. 8.57. Принципова електрична схема бурового верстата СБШ – 250МН.

Двигуни: М1 – М2 – гусениць; М3, М4, М6, М7, М8, М11 – насосів масловодосистем і систем обігріву; М9 – компресора; М13 – обертання бурової штанги; М5, М10, М14, М15 – вентиляторів обдуву компресора; М12 – галі.

Шарошечні верстати найбільш потужні, масові й автоматизовані. Електроустаткування і схеми керування електроприводами цих верстатів через велике число двигунів і застосування на приводі обертача двигуна постійного струму значно складніше, ніж у розглянутих вище верстатів. Як приклад, на рис. 8.57. приведена принципова електрична схема верстата СБШ-250МН. Три жили гнучкого кабелю приєднуються до кабельного вводу (ввідна коробка) КВ верстата, четверта (заземлююча) жила – до його корпусу. Ввідний автоматичний вимикач QF1 має електромагнітний привод, що дозволяє керувати ним з кабіни машиніста. Трансформатор Тр1 служить для живлення напругою 220 В ланцюгів керування і освітлення верстата. Реле витоку автоматично відключає ввідний автомат при однофазних замиканнях на землю. Живлення в ланцюзі керування подається автоматичним вимикачем QFЗ, силові електроприймачі до мережі напругою 380 В приєднуються автоматами QF4 – QF8.

Двигуни допоміжних механізмів ходу, компресорів, маслонасосів, вентиляторів, а також допоміжних установок верстата включаються нереверсивними і реверсивними магнітними пускачами з максимальним і тепловим захистом. Керування пускачами і контакторами провадиться кнопковими постами і ключами. Схеми керування типові для асинхронних двигунів з короткозамкнутим ротором. Основні операції при бурінні виконуються за допомогою універсальних перемикачів типу УП. Пускорегулююча захисна і комутаційна апаратура ланцюгів змінного струму розміщена в шафі. Керування процесом буріння і контроль за його ходом здійснюються з пульта керування в кабіні машиніста, на якому зосереджені контрольно-вимірювальні прилади, універсальні перемикачі, тумблери і кнопки керування основним електроустаткуванням верстата. Освітлення машинного відділення і кабіни верстата здійснюється світильниками ПСХ-60, робочої площадки – світильниками РН-100 і прожекторами ПЗ-35.

Електропостачання бурових верстатів на відкритих гірських розробках здійснюється напругою 380 В від пересувних комплектних трансформаторних підстанцій (ПКТП) 6/0,4 кВ потужністю до 400 кВА чи напругою 6 кВ від розподільних внутрішньокар'єрних ЛЕП.

а ) план мережі

б) принципова схема

Рис. 8.58, а, б. Принципова схема електропостачання бурових верстатів.

Електроенергія напругою 380 В від ПКТП до бурових верстатів (мал. 23) підводиться одним (шнекові верстати, вогневий СБР-160 і т.п.) чи двома (верстати 2СБШ-200Н і т.п.) паралельними гнучкими чотирьохжильними в основному марки КРПТ (КРШК, КРПС) перетином 50—70 мм² (іноді до 150 мм²). Довжину кабелів звичайно приймають до 100—120 м (іноді до 200 м).

Електропостачання верстата БАШ-320М здійснюється напругою 6 кВ від примикаючого пункту за допомогою гнучкого кабелю КГЕ ЗХ25 + 1X10 мм². Напруга від мережі 6 кВ надходить на силовий трансформатор ТМЕ 6/0,4 кВ, встановлений на борту верстата.

Електропостачання потужних бурових верстатів (СБШ-320, СБТМ-20), обладнаних начіпними кабельними барабанами, здійснюється напругою 380 В від підстанції 6/О,4 кВ за допомогою двох гнучких кабелів КРШК перетином 3х120+1х35 мм².

У процесі буріння робота електроприводів потужних бурових верстатів характеризується наявністю ударних електричних навантажень. Потужні асинхронні двигуни верстатів живляться від трансформаторів відносно невеликої потужності, тому необхідні нові технічні рішення по регулюванню напруги в мережах, що живлять бурові верстати. Для цього в системі трансформатор ПКТП — буровий верстат застосовується поздовжня компенсація реактивної потужності, що приводить до зниження втрат напруги. Потужність компенсаторів втрат напруги (КВН) вибирається з умови проходження максимального навантаження електроприймача в перехідному режимі, а параметри КВН - з умови пуску найбільш потужного електродвигуна бурового верстату.

Схема комутації пересувної установки КВН приведена на рис. 8.59. Статичні конденсатори КВН включені на стороні 6 кВ паралельно в розтин лінії, тому що застосування компенсацій на стороні 0,4 кВ неефективно через необхідність установки компенсаторів великої ємності. Для попередження виходу з ладу електродвигунів бурових верстатів під час пуску при зниженій напрузі мережі вибирається уставка мінімального захисту U_з ≤ 0,9U_ном. З метою усунення резонансних коливань при комутаційних режимах у КВН на кожній фазі встановлені шунтуючі опори R_ш.

Рис. 8.59. Схема комутації регульованої установки компенсації реактивної потужності КВН.

Для компенсації втрат напруги у всьому діапазоні навантажень електроприводів як у пусковому, так і в робочому режимі в КВН змінюють ємність послідовних конденсаторів. Необхідний регулюючий ефект при менших капітальних витратах досягається в схемі триступінчастого регулювання: після закінчення пускового періода батарей конденсаторів поздовжньої компенсації з паралельного з'єднання, необхідного для проходження струму в перехідному режимі, переключаються на послідовне.

У період запуску, що відповідає ступені I, для проходження пускового струму батареї С1, С2 з'єднуються паралельно, для цього включаються вимикачі Q_л, Q1 і Q3, а вимикач Q2 знаходиться у відключеному стані. По закінченні пускового періоду зміна ємності конденсаторної установки на II ступені досягається відключенням від мережі батареї С2 переведенням Q1 у відключене положення. При цьому електроприймач продовжує одержувати живлення від мережі через ємність С1 і трансформатор. Переведення конденсаторів С1, С2 на послідовне приєднання, що відповідає III ступені регулювання, провадиться включенням Q2 з наступним переведенням Q3 у відключений стан.

За рахунок установки поздовжньої компенсації поліпшуються якісні показники електропостачання в пусковому і робочому режимах. Втрати напруги при пуску електродвигуна компресора знижуються в 2,8 рази, а тривалість пускового періоду скорочується в 1,8 рази.

Техніко-економічні розрахунки показують доцільність застосування для електропостачання потужних бурових верстатів напруги 6 кВ з розміщенням понижуючого трансформатора 6/0,4 кВ безпосередньо на буровому верстаті. Принципова схема живлення потужних бурових верстатів при напрузі 6 кВ аналогічна схемі живлення екскаватора. У якості живильного гнучкого кабелю при електропостачанні бурових верстатів напругою 6 кВ використовуються силові гнучкі кабелі КГЕ для живлення пересувних машин.

Така схема електропостачання має ряд переваг. Переріз жил живлячого кабелю при напрузі 6 кВ зменшується в 15 разів у порівнянні з перерізом жил кабелю при напрузі 380 В. Порівняно невеликі перетини, діаметр і маса живильного кабелю дозволяють оснастити верстати начіпним кабельним барабаном необхідної за умовами експлуатації місткості (200—300 м). Загальна маса електроустаткування і кабелів, що входять у систему електропостачання 6 кВ, у порівнянні з масою системи при напрузі 380 В (з врахуванням ПКТП-6/0,4 кВ) знижується більш ніж у 2 рази, а електроустаткування, що знаходиться на верстаті, — більш чим у 1,5 рази.

Тому при переході на напругу 6 кВ значно знижуються витрати на систему електропостачання бурових верстатів у порівнянні з застосуванням напруги 380 В. Відповідно до розрахунків капітальні витрати зменшуються в 2,7 рази, річні поточні більш, ніж у 3 рази. Одночасно значно підвищується надійність електропостачання.