煤礦井下電纜選型設(shè)計(jì)原則分析

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摘要：隨著煤炭行業(yè)裝備技術(shù)的發(fā)展，各類型的用電設(shè)備需要配套使用相適宜的電纜，各種類型的煤礦用電纜應(yīng)該在相應(yīng)的場合中使用，對保障煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)行，對提高生產(chǎn)效率具有較大的作用。煤礦井下電纜的設(shè)計(jì)選型應(yīng)從導(dǎo)體材質(zhì)、絕緣水平、絕緣類型、護(hù)層類型、芯線數(shù)量、截面以及特殊需求這幾個(gè)方面來進(jìn)行考慮。在具體設(shè)計(jì)過程中，每一項(xiàng)都有應(yīng)該特別注意其規(guī)定，尤其是電纜截面的選擇。本文比較系統(tǒng)地講述了電纜截面選擇過程中的注意事項(xiàng)以及在計(jì)算過程中采用的方法，并指出了一些選型設(shè)計(jì)的常見誤區(qū)。

關(guān)鍵詞：煤礦井下電纜；電纜選型；絕緣水平；電壓損失；電壓偏差；熱穩(wěn)定

引言

正確選用煤礦井下電纜，對于煤礦安全十分重要。通常煤礦井下電纜的設(shè)計(jì)選型主要從導(dǎo)體材質(zhì)、絕緣水平、絕緣類型、外護(hù)層類型、截面等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮［1－3］。但煤礦井下電氣設(shè)備種類繁多、使用環(huán)境復(fù)雜多樣，煤炭工業(yè)礦井電氣工程師在選擇時(shí)，考慮的因素全面性并不能得到保障［4－6］。為此，對煤礦井下電纜的導(dǎo)體材質(zhì)、絕緣水平、絕緣類型、護(hù)層類型、芯線數(shù)量、截面以及特殊需求幾個(gè)方面的選擇進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1電纜類型選型設(shè)計(jì)原則

1．1導(dǎo)體材質(zhì)

導(dǎo)體材質(zhì)的選擇應(yīng)遵循國家現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)定。《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，在進(jìn)風(fēng)斜井、井底車場及其附近、中央變電所至采區(qū)變電所之間，可以采用鋁芯電纜，其他地點(diǎn)必須使用銅芯電纜?！睹旱V井下供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，煤礦下井電纜應(yīng)采用銅芯，嚴(yán)禁采用鋁包電纜，采區(qū)嚴(yán)禁采用鋁芯電纜。鋁包電纜即電纜外皮采用鋁材包裹的電纜，煤礦井下嚴(yán)禁采用鋁包電纜主要是由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中易與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，煤礦井下濕潤，又常含有酸性氣體，在煤礦井下使用鋁包電纜，會進(jìn)一步加劇鋁的氧化速度，使電纜因侵蝕而不得不頻繁更換，還可能引發(fā)電氣事故，造成重大損失［7－9］。其次，由于電源的三相之間往往不可能絕對平衡，鋁包電纜的鋁包外皮常有一定的電流負(fù)載。因?yàn)殇X的膨脹系數(shù)較大，電纜發(fā)燒后其接頭處易松動，發(fā)生氧化甚至分?jǐn)?，形成斷路點(diǎn)，使外皮泛起高電壓，嚴(yán)重威脅人身安全，若造成電火花，則有可能引發(fā)瓦斯煤塵爆炸事故。最后，在我國，電纜是納入礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志治理的產(chǎn)品，我國從未對任何型號規(guī)格的鋁包電纜產(chǎn)品發(fā)放安全標(biāo)志，因此鋁包電纜應(yīng)強(qiáng)制淘汰。

1．2絕緣水平

煤礦井下電纜的絕緣水平主要根據(jù)現(xiàn)場使用條件來確定。煤礦井下電纜導(dǎo)體的相間額定電壓不得低于使用回路的工作線電壓。煤礦井下電纜導(dǎo)體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓的選取常常存在一定誤區(qū)［10－12］。在6kV以下的系統(tǒng)中，導(dǎo)體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓基本符合規(guī)范規(guī)定，但對于6kV及10kV系統(tǒng)中導(dǎo)體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓，大部分工程技術(shù)人員均選用6kV和8．7kV，這種選擇也有一定根據(jù)。IEC規(guī)定，當(dāng)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中系統(tǒng)單相接地故障持續(xù)時(shí)間超過1min時(shí)，導(dǎo)體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓應(yīng)選用第Ⅱ類，即6kV和8．7kV。但《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，向移動變電站和電動機(jī)供電的高壓饋線上必須裝設(shè)具有選擇性應(yīng)用于跳閘的單相接地保護(hù)。因此，除上述2種情況之外的電纜才有必要選擇第II類導(dǎo)體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓。所以，6／6和8．7／10的電纜僅局限應(yīng)用于井下未實(shí)現(xiàn)單相接地動作于跳閘的饋出回路，其他回路的電纜應(yīng)該選用0．38／0．66、0．66／1.14、1.9／3．3、3．6／6、6／10絕緣等級的電纜。

1．3絕緣類型

煤礦電纜常用的絕緣類型主要有2種，交聯(lián)聚乙烯絕緣和橡皮絕緣。2種絕緣類型應(yīng)根據(jù)以下使用環(huán)境及條件確定。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜：纜芯長期允許工作溫度90℃，短路熱穩(wěn)定允許溫度250℃。該材料不含鹵素，燃燒時(shí)不會產(chǎn)生毒氣及煙，被稱為清潔電纜。該材料不具備阻燃性能，因此一般做法是在該材料當(dāng)中添加阻燃劑，并采取輻照工藝以提高機(jī)械及電氣性能。該材料對紫外線照射比較敏感，通常采用聚氯乙烯作為外護(hù)套材料。橡皮絕緣電纜：也稱橡套電纜，纜芯長期允許工作溫度60℃，短路熱穩(wěn)定允許溫度200℃。該材料彎曲性能較好，特別適合用于煤礦井下需要定期移動的地方。《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，固定敷設(shè)的高壓電纜，應(yīng)選用電力電纜，即交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。固定敷設(shè)的低壓電纜，應(yīng)選用煤礦用電力電纜或橡套軟電纜。非固定敷設(shè)的高低壓電纜，必須采用煤礦用橡套軟電纜。因此，一般情況下，對于井下變電所的進(jìn)線電纜、固定敷設(shè)的設(shè)備電源電纜均選用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，除此之外，應(yīng)盡量選用橡皮絕緣電纜。當(dāng)選用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜時(shí)，應(yīng)注意電纜引入裝置的類型選擇，不能選用密封圈引入方式，而應(yīng)選擇環(huán)氧樹脂澆筑型式的電纜引入裝置。

1．4外護(hù)層及鎧裝類型

對于煤礦用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的外護(hù)層，一般為聚氯乙烯護(hù)套，鎧裝層分別有鋼帶護(hù)層和鋼絲護(hù)層。對于鎧裝層的選用，在《煤礦安全規(guī)程》中有詳細(xì)規(guī)定。橡皮絕緣電纜的外護(hù)層一般為橡皮護(hù)套，煤礦井下移動設(shè)備，如采煤機(jī)、梭車等設(shè)備的電纜，為滿足使用的機(jī)械強(qiáng)度要求，可在內(nèi)外護(hù)套之間增加加強(qiáng)層，加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)主要有纖維編織層、鋼絲股線編織層、鋼絲繞包編織層。對于采煤機(jī)電纜在保護(hù)鏈板內(nèi)使用時(shí)，可采用鋼絲繞包加強(qiáng)型。對于錨桿機(jī)、梭車等直接拖拽使用時(shí)，可采用鋼絲編織加強(qiáng)型。

1．5芯線數(shù)量

井下供電系統(tǒng)均為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，因此主要功能芯線就是相導(dǎo)體與接地芯。交聯(lián)聚乙烯電纜一般將鎧裝層兼做接地芯，一般只有3芯相導(dǎo)體，例如MYJV22－6／10kV3×95mm2。當(dāng)交聯(lián)聚乙烯電纜無鎧裝層時(shí)，仍應(yīng)設(shè)置4芯導(dǎo)體（含接地芯），例如MYJV－1kV3×95＋1×50mm2。《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，移動變電站的電源電纜應(yīng)采用監(jiān)視型屏蔽橡套電纜，因此井下高壓橡套電纜還應(yīng)配置絕緣監(jiān)視線芯，例如MYPTJ－6／103×95＋3×50／3＋3×2．5mm2。上述型號中的地線芯、監(jiān)視線芯根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)的設(shè)置，地線芯、監(jiān)視線芯是纏繞相導(dǎo)體布置的。采煤機(jī)等設(shè)備配置先導(dǎo)回路時(shí)，電纜應(yīng)配置控制線芯，例如MCPTJ－1．9／3．33×95＋1×50＋3×6mm2。對于錨桿機(jī)、梭車等移動拖拽使用的電纜，其電纜的使用過程是卷繞－拉直－卷繞周期性的運(yùn)動狀態(tài)，該電纜應(yīng)配置監(jiān)視芯線導(dǎo)體，該型電纜制造標(biāo)準(zhǔn)參考的是英國BS6078標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)監(jiān)視線芯的制造無論從絕緣方式以及屏蔽層等方面均等同于相導(dǎo)體，這樣做的目的是為了加強(qiáng)電纜機(jī)械強(qiáng)度，克服梭車電纜使用惡劣工況的困難。國內(nèi)其他廠家也有改良該電纜結(jié)構(gòu)的做法，電纜配置3芯相導(dǎo)體，2芯地線芯，1芯監(jiān)視線芯。目前，我國煤炭行業(yè)暫未對梭車電纜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，還有待國家明確相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)踐檢驗(yàn)。例如一些廠家的型號為MSPTJB－0．66／1．143×35＋1×16＋1×35mm2，而有的廠家型號為MSPTJ－0．66／1.143×35＋2×10＋1×6mm2。

1．6電磁屏蔽功能選擇

《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，煤礦用橡套電纜需采用屏蔽電纜。常用的屏蔽方式分為非金屬屏蔽與金屬屏蔽，在型號中分別以P和PT表示。非金屬屏蔽層的作用是為了均勻線芯外表面電場，避免因?qū)w表面不光滑以及線芯絞合產(chǎn)生的氣隙而造成導(dǎo)體和絕緣發(fā)生局部放電，而金屬屏蔽層的作用主要起到屏蔽電場的作用，隔絕內(nèi)外電場的聯(lián)系。近些年，由于變頻調(diào)速裝置在煤礦井下的廣泛使用造成井下電磁污染嚴(yán)重的問題，相關(guān)廠家配套開發(fā)了變頻裝置用橡套軟電纜。該電纜從結(jié)構(gòu)上采用相地三等分對稱、銅絲編織加鋁塑復(fù)合雙層屏蔽技術(shù)，有效抑制了諧波含量，降低干擾電場對外部電氣設(shè)備的影響。

2電纜截面選型設(shè)計(jì)原則

電纜截面的選擇應(yīng)根據(jù)安全載流量、經(jīng)濟(jì)電流密度、短路熱穩(wěn)定、電壓降落方面進(jìn)行校驗(yàn)選擇，并宜按上述選擇值中的較大值進(jìn)行選擇。

2．1安全載流量校驗(yàn)

井下電纜承擔(dān)主排水泵負(fù)荷時(shí)，截面應(yīng)按照當(dāng)一回路不送電，其余回路應(yīng)能擔(dān)負(fù)井下礦井最大涌水量時(shí)的總計(jì)算負(fù)荷。井下電纜不承擔(dān)主排水泵負(fù)荷時(shí)，截面應(yīng)按照當(dāng)一回路不送電，其余回路擔(dān)負(fù)井下供電范圍內(nèi)的總計(jì)算負(fù)荷。井下其他電纜的截面也應(yīng)滿足電纜允許持續(xù)電流值大于電纜正常工作負(fù)荷的計(jì)算電流。電纜允許持續(xù)電流值應(yīng)注意按照敷設(shè)方式、敷設(shè)環(huán)境溫度、直埋敷設(shè)時(shí)土壤熱阻系數(shù)的差異、電纜多根并列時(shí)的影響、無遮陽時(shí)的日照影響多個(gè)因素進(jìn)行綜合校正，經(jīng)校正后的載流量才為實(shí)際的電纜允許持續(xù)電流值。在用電設(shè)備組電纜選擇時(shí)，計(jì)算負(fù)荷應(yīng)按照需用系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，但在單臺設(shè)備電纜選擇時(shí)，應(yīng)按照該設(shè)備額定功率進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)主要是因?yàn)椴捎眯枰禂?shù)法計(jì)算負(fù)荷時(shí)，實(shí)際是假想一個(gè)與用電設(shè)備組的變動負(fù)荷產(chǎn)生的熱效應(yīng)相等的一個(gè)計(jì)算負(fù)荷值。

2．2短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

井下電纜應(yīng)按照電力系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，電纜首段發(fā)生三相短路時(shí)的熱穩(wěn)定性要求進(jìn)行電纜截面。電纜短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)按照S≥Q／C進(jìn)行計(jì)算。熱穩(wěn)定系數(shù)C的計(jì)算雖然按照《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄E的計(jì)算方法稍顯復(fù)雜，但在工程計(jì)算中，通常銅芯電纜按照137計(jì)算。短路電流熱效應(yīng)Q的計(jì)算反而較為復(fù)雜，計(jì)算過程中應(yīng)該注意熱效應(yīng)時(shí)間應(yīng)取保護(hù)動作時(shí)間與斷路器開斷時(shí)間之和，對于電動機(jī)變壓器等直饋線應(yīng)按照后備保護(hù)動作時(shí)間選取，對于其他饋線應(yīng)按照主保護(hù)動作時(shí)間選取。此外，短路電流的熱效應(yīng)為短路電流周期分量熱效應(yīng)與非周期分量熱效應(yīng)之和，往往工程技術(shù)人員在計(jì)算熱效應(yīng)時(shí)，容易忽略非周期分量熱效應(yīng)，一個(gè)慢速斷路器的開斷時(shí)間大約為0．2s，而非周期分量等效時(shí)間為0．05s，這個(gè)值將會使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大偏差。

2．3正常運(yùn)行電壓損失校驗(yàn)

煤礦供電線路壓降不得超過5％在煤炭行業(yè)的設(shè)計(jì)文件編制、審查被廣泛應(yīng)用，雖然經(jīng)過多方查詢，翻閱多種國家規(guī)范設(shè)計(jì)手冊，均無強(qiáng)制性規(guī)定煤礦供電線路壓降不得超過5％。但是，作為工程技術(shù)人員應(yīng)該弄清楚為什么規(guī)范要求進(jìn)行線路壓降校驗(yàn)。電器設(shè)備端子電壓實(shí)際值偏離額定值時(shí)，電器設(shè)備的性能會直接受到影響，因此，《電能質(zhì)量供電電壓偏差》中規(guī)定了各級電壓允許偏差，在偏差計(jì)算中，電壓降落實(shí)際是偏差計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。我們?nèi)粘Ｐｒ?yàn)的電壓降落是在最大負(fù)荷情況下的一個(gè)電壓降落，例如10kV線路，如果考慮電源系統(tǒng)的供電偏差約±3％，再加上最大負(fù)荷時(shí)煤礦供電線路壓降5％，最大負(fù)偏差將達(dá)到8％，超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±7％。因此，提出煤礦供電線路壓降不得超過5％也具備一定的參考價(jià)值，但不能一味的要求煤礦供電線路壓降不得超過5％。目前，解決電壓偏差過大的措施可以使用有載調(diào)壓變壓器，進(jìn)行波峰波谷補(bǔ)償偏差，即逆調(diào)壓方式。有載調(diào)壓變壓器的使用將使得線路最大壓降即時(shí)超過5％時(shí)，能夠滿足國標(biāo)中電器設(shè)備端子電壓偏差的要求，對電器設(shè)備的影響也會降到最低?！睹旱V井下供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定，采區(qū)動力電纜正常運(yùn)行時(shí)電壓允許偏差應(yīng)為額定電壓的±5％，個(gè)別特別遠(yuǎn)的電動機(jī)允許偏差為額定電壓的－8％～－10％。

2．4電動機(jī)啟動時(shí)電壓損失校驗(yàn)

隨著煤礦井下大容量電動機(jī)使用越來越頻繁，尤其是重載情況下啟動，線路產(chǎn)生的壓降導(dǎo)致電動機(jī)端子電壓無法達(dá)到克服凈阻轉(zhuǎn)矩的要求時(shí)，電動機(jī)是無法正常啟動的?！睹旱V井下供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對距離最遠(yuǎn)、容量最大的電動機(jī)，應(yīng)保證在重載情況下啟動。若無相關(guān)機(jī)械數(shù)據(jù)時(shí)，可按電動機(jī)啟動時(shí)端電壓不低于額定電壓的75％校驗(yàn)。在進(jìn)行這一項(xiàng)目校驗(yàn)時(shí)，關(guān)鍵是電動機(jī)啟動電流的選取。鼠籠式異步電動機(jī)直接啟動時(shí)，啟動電流約為額定電流的4～7倍。晶閘管降壓軟啟動時(shí)，啟動電流約為額定電流的2．5～3．5倍。變頻啟動時(shí)，啟動電流約為額定電流的2倍以下。在計(jì)算壓降時(shí)，還應(yīng)考慮系統(tǒng)提供的短路容量、預(yù)接負(fù)荷的無功功率這2項(xiàng)條件。往往工程技術(shù)人員在校驗(yàn)電動機(jī)端電壓的情況時(shí)，會忽略啟動時(shí)供電系統(tǒng)母線的電壓降落情況。國家規(guī)定接觸器必須使控制電壓在75％～110％額定值之間時(shí)，能夠可靠閉合。但采區(qū)電動機(jī)控制設(shè)備的控制電源均通過內(nèi)置控制變壓器取自電源母線。因此，當(dāng)配電母線下最大最源電動機(jī)啟動時(shí)，母線電壓不應(yīng)低于額定電壓的85％。

2．5經(jīng)濟(jì)電流密度校驗(yàn)電纜截面的經(jīng)濟(jì)

電流密度校驗(yàn)應(yīng)根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B中的規(guī)定進(jìn)行校驗(yàn)。在校驗(yàn)過程中應(yīng)注意以下3個(gè)方面的內(nèi)容：①選擇經(jīng)濟(jì)電流密度曲線時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分單一制電價(jià)和2部制電價(jià)的區(qū)別。②對于備用回路、備用電機(jī)的電纜，應(yīng)對其運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行折算后再選擇對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)電流密度；對一些長期不使用的回路，不宜按照經(jīng)濟(jì)電流密度進(jìn)行選擇。③當(dāng)經(jīng)濟(jì)電流密度選擇介于2種標(biāo)準(zhǔn)截面之間時(shí)，應(yīng)按照相鄰較近的一檔進(jìn)行選擇。

3結(jié)語

電纜作為煤礦供配電系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)施，在實(shí)際使用時(shí)，除應(yīng)滿足上述技術(shù)條件外，平時(shí)還應(yīng)注意電纜的維護(hù)，如加強(qiáng)通風(fēng)以降低電纜使用環(huán)境溫度、定期除塵和絕緣檢查以及防止電纜機(jī)械損傷等。電纜的安全使用關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，關(guān)系到煤礦機(jī)電設(shè)備的安全使用，關(guān)系到煤礦的整體生產(chǎn)效率。因此，電纜的科學(xué)選型、使用必須引起工程技術(shù)人員的高度重視。

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作者：萬孟合 單位：國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司