浅析6kV 中压配电在露天采煤机上的应用设计

刘文新

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410199）

随着采煤技术的进一步发展，虽然露天采煤机的发展趋于大型、可靠、单体设备和生产系统的自动化，但露天采煤机目前仍采用传统柴油机作为动力来源，消耗燃油，排放尾气，噪音大，影响大气环境治理，发动机作为主机的核心部件，主要依赖于进口，尤其是大功率柴油发动机，经济成本高。随着我国电力技术与电控技术不断发展，采煤机开始朝着电力电动的方向进行。在低碳经济和节能减排形势下，具有零排放、无污染、噪音极小、能效高等诸多优点的电力电动系统逐渐应用在露天采煤设备上。

1 露天采煤机配电供电电压选择

露天煤矿采场供电电压的等级，应根据露天矿境界范围、达产时的电力负荷、后期扩建后的电力负荷、供电距离对电压水平的影响，大型设备启动时对其他生产设备的影响、不同电压等级线路的损耗等因素来确定，大中型露天矿一般设双回路电源。根据《煤矿安全规程》3.5.11 规定，煤矿用电各级配电电压和各种电气设备的额定电压等级，应符合下列要求：高压不超过10000 伏；低压不超过1140 伏。根据GB50070《矿山电力设计规范》4.0.2 规定，采矿场和排废场的高压电力网配电电压，应采用6kV 或10kV。

对于用电设备电力电动露天采煤机来说，供配电方案还要满足以下两个条件：

（1）采煤机设备应与矿区其他设备必须使用同一供电系统。

（2）电压等级选择，在任何时候必须与落地变电站具有相同电压，设备和电网能够能够保持相同的输出参数。

国内目前煤矿大型设备的主要用电电压及下井电压等级为6kV，综合各种因素确定露天采煤机宜采用6kV 电压等级供电。

2 露天采煤机配电系统设计思路

露天采煤机是一种集采、装、破一体，完成采掘和装载，同时将物料输送至后部转载设备上的连续采煤设备，主要工作装置动作有截割、装载、刮板一运、皮带二运、履带行走转向、除尘喷雾等，是一种大功率重型采煤设备。工作装置根据整机功率设计选用相应的驱动方式。一般为液压马达+减速机或电机+减速机两种方式。但无论采用哪种方式，都是需要首先将6kV 电能进行转化，才能满足我们需求。现有大型露天采煤机整机功率都较大，运行电机在启停时对供电电网有很大的冲击影响。

露天采煤机易受到自然环境如风沙、煤粉、灰尘、雨、雪、雷电、震动、腐蚀性、紫外线强及酷热和严寒的影响，使用环境和工况比较恶劣。

露天采煤机需不断随工作面的推进频繁移动，转运要灵活，主机供电来源于落地变电站，故采煤机电缆卷筒收放缆长度也应满足可移式变电站移动范围。

综合以上分析，露天采煤机如采用6kV 中压配电系统，则要求其车载高压配电系统应满足移动灵活、外壳坚固，防尘、耐高低温等要求，满足整机布置空间及安全防护要求。其核心部件电缆卷筒、异步电机及中压配电柜设计尤为重要，具体分析如下：

图1 露天采煤机中压配电示意图

2.1 露天采煤机电缆卷筒设计思路

作为连接落地变电站与露天采煤机设备之间的电力电缆连通部件，电缆卷筒的设计尤为重要。电缆卷筒一般放置于车体后部，皮带机下方。采煤机在前进或后退行驶时，电缆卷筒电缆随之收放，保持电缆在适度的落地长度。

采煤机电缆卷筒及电缆设计要满足以下条件：

2.1.1 使用环境。电缆卷筒及电缆要满足煤粉、灰尘、拖拽、扭曲碾压、腐蚀性、高低温环境下能够正常使用，在强烈日常紫外线下能够保持电缆抗老化和硬化现象；具有良好的抗拉和耐磨性能；减速机齿轮或链条、导缆架传动装置、接线盒进出线锁头处、卷筒高压进出线锁头处做好密封防护，防止煤粉附着堵塞。

2.1.2 电压等级及容量要求。电缆卷筒及电缆电压等级为6kV，最高电压可满足10kV；卷筒电缆规格容量应考虑整机负载功率，缠绕层数、电缆长度、压降率等因素。

2.1.3 驱动方式。一般有两种方式：电机驱动和液压驱动。电机驱动一般选用带加热器和制动器的三相鼠笼式马达，供电电压为400V/50Hz，可实现正反转，使用变频调速调整调整电机转速，可随采煤机行驶速度的变化而变化；液压驱动一般为液压马达带减速机，可实现正反转，使用电比例调速电磁阀，可随采煤机行驶速度的变化而变化。

露天采煤机要频繁的左右调运、前后移动的工况，这就需要车体后侧电缆卷筒要在一定的张力下进行电缆收放，以避免露天采煤机在行走时碾压或拉断电缆，电缆卷筒收放装置能对整机的调运孙渡及安全性有重要影响。

露天采煤机在前进时，电缆卷筒被动放缆；后退时，电缆卷筒主动收缆；电缆卷筒收放缆速度与露天采煤机行走速度匹配；电缆受力要小。以下以液压阀组简单说明自动收放缆原理。

露天采煤机后退，电缆卷筒主动卷缆过程: 先导手柄8.1，8.2 输出的后退先导压力，同时作用于控制行走的多路阀先导油口和压力传感器10，行走多路阀控制行走减速机马达总成反转驱动设备后退；压力传感器10 将压力转化为电气信号发送至控制器，控制器发送控制信号将电磁换向阀2 换向，高压油自卷缆阀组P 口进入，由减压溢流阀1 减压后，经电磁换向阀2 进入摆线马达5 的A 口，摆线马达5 的输出转速经减速机6 减速后驱动卷筒旋转进行收缆。通过单向节流阀4 调节摆线马达5回油背压调节卷筒的最大卷缆速度。露天采煤机前进，电缆卷筒被动放缆过程: 露天采煤机向前行走，电缆处于被拉紧状态，电缆拉力驱动电缆卷筒反转，此时摆线马达5 变为泵工况，液压油从摆线马达5 的A 口流出，经电磁换向阀2 后达到溢流阀3，当油液压力克服溢流阀3 的设定值后，溢流阀3 打开，摆线马达5 开始反向旋转，电缆被拉出。

图2 卷缆控制系统原理图

2.2 露天采煤机异步电机选型设计思路

三相异步电机选用基本原则如下：

（1）电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、谢波干扰等），应在容许的范围内。

（2）按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内。

（3）根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作。

露天采煤机各运动部件功率不一，用途不一，三相异步电机选型需以实际需求而定，采煤机工作装置如截割装置、行走装置、转运装置等都需要用到三相异步电机。

（1）用途及输出形式

异步电机+减速机（分动箱），输出机械传动，实现执行机构的转动能，主要用于截割装置，皮带传动等。

异步电机+液压泵（高低压水泵或气动泵），输出端连接液压泵实现液压执行单元的功能，比如液压马达、油缸等动作；输出端连接高低压水泵，实现增压喷水功能；输出端连接气动泵实现气动执行单元功能，比如增压吹气、气动缸功能。

（2）使用环境。异步电机满足煤粉、灰尘、高低温等环境，异步电机有防护式和封闭式两种防护型式。按冷却方式可分为风冷（自冷式、自扇冷式和它扇冷式）和水冷等。按实际工况选择合适的冷却方式。在低温环境下，电机要有加热功能。

（3）电机保护。三相异步电机要具有以下保护功能，具体如下：

a.电机保护：电机具有缺相、过载、短路保护功能，具有反时限过负荷保护功能。

b.电机漏电闭锁保护：当电机检测到有漏电发生时，能触发漏电闭锁保护功能，系统不允许电机启动；要求在电机启动前投入检测，电机启动后不检测；电机停止后延时投入检测。

c.电机零序绝缘保护：在电机运行中有漏电发生时，能触发漏电绝缘保护，系统停止所有电机运行。

d.电机启动冲击保护：电机回路要配置阻容吸收器，减小电机启动时的冲击。

e.电机超温保护：根据电机配置的温度探头种类及数量实现电机温度实时显示，并且具有超温故障显示和电机保护功能。

2.3 露天采煤机中压配电柜设计思路

整机通过电缆卷筒电缆将矿区落地6kV 变电站供电传输到车体后，要进入中压开关柜进行分断中压回路及高压检测和安全防护。中压启动柜实现负载电机的启停、过载保护、绝缘监测等。变压器是将6kV 高电压降压后实现低压负载用电和控制用电需求。低压控制柜实现柜体用电设备控制和整机低压控制负载设备的连接、分配和控制。

基于露天煤矿实际工作环境和整机车体空间受限，宜采用高防护抗冲击型外壳，在减小体积、笨重的同时做到全面保护。具体设计思路概括如下：

2.3.1 柜体的外壳和各功能单元之间的隔板均采用敷铝锌钢板弯折后栓接而成，开关柜已从结构上考虑内故障电弧的影响，柜顶应设压力释放板。

2.3.2 开关柜应细分为若干个独立隔室。各柜主母线室应经绝缘套管贯通，主母线安装后，各柜主母线室应被隔开。

3 结论

中国的露天采煤设备经历了从人工开采到机械开采，从蒸汽动力到燃油动力，再到电气动力，从粗放管理到自动糊、信息化、数字化再到智慧化概念。露天采煤机逐渐向着大型化、无人化方向发展，我国会广泛应用智能化大规模采煤，从而降低生产成本，提高采煤效益。